[вернуться к содержанию сайта]

    Специальной теории относительности посвящено большое количество книг. Её история тесно переплетается с историей электромагнетизма. Можно сказать, что формулировка уравнений Максвелла, объединивших электричество, магнетизм и оптику в единую теорию, подготовила почву для создания специальной теории относительности. Фундамент специальной теории относительности был заложен Лоренцем в его работах по электродинамике. Но наиболее определяющие принципы теории были сформулированы Эйнштейном, подвергшим критике ряд основных классических понятий. Хотя специальная теория относительности и ведёт своё происхождение от электромагнетизма и оптики, в настоящий момент считают, что она применима и ко всем другим типам взаимодействий, за исключением, конечно, крупномасштабных гравитационных явлений. В современной физике эта теория служит пробным камнем при оценке правильности представлений о виде взаимодействия между элементарными частицами. Рассматриваются лишь те гипотезы о формах взаимодействий, которые согласуются со специальной теорией относительности, что является весьма существенным ограничением. Так как экспериментальные основы и развитие теории детально описаны во многих книгах, мы ограничимся лишь кратким изложением узловых пунктов.

    Последнее сорокалетие девятнадцатого века ознаменовалось триумфальным шествием волновой теории, основанной на уравнениях Максвелла. Эта теория позволила дать единое описание электрических, магнитных и оптических явлений. Из всего предыдущего опыта, накопленного при изучении волнового движения, следовало, что волны всегда распространяются в некоей среде, поэтому для физиков вполне естественно было предположить, что для распространения света тоже необходима некоторая среда. Ряд известных свойств света заставлял предполагать, что эта среда, называемая эфиром, заполняет всё пространство, имеет пренебрежимо малую плотность и пренебрежимо слабо взаимодействует с веществом. Она служит только носителем распространяющихся в ней электромагнитных волн. Однако гипотеза эфира ставила электромагнитные явления особняком от остальной физики. Давно было известно, что законы механики одинаковы в различных системах координат, движущихся равномерно одна относительно другой, или, иными словами, законы механики инвариантны относительно преобразований Галилея. Существование эфира подразумевает неинвариантность законов электромагнетизма относительно галилеевского преобразования координат, так как имеется преимущественная система координат, в которой эфир покоится и в которой скорость света в свободном пространстве равна с. В других системах координат скорость света получается при этом не равной с. Чтобы избавить электромагнетизм от этого недостатка – невыполнения принципа относительности Галилея, имеется несколько путей. Мы можем:

    Однако большое количество экспериментов заставило отказаться от всех трёх гипотез и привело к созданию специальной теории относительности. Основными экспериментами были следующие:

    1) наблюдение аберрации положений звёзд за год;

    2) опыт Физо по определению скорости света в движущихся жидкостях (1859 г.);

    3) опыт Майкельсона-Морли по обнаружению движения относительно эфира (1887 г.)…

    В 1904 г. Лоренц показал, что уравнения Максвелла в свободном пространстве инвариантны относительно преобразования координат (11.19) (которое называется теперь преобразованием Лоренца), если принять, что напряжённости полей также преобразуются подходящим образом. В предположении, что всё вещество имеет электромагнитную природу и поэтому для него справедливы уравнения Максвелла, Лоренцу удалось вывести закон сокращения (11.10). Затем Пуанкаре показал, что при соответствующем преобразовании плотностей зарядов и токов все уравнения электродинамики становятся инвариантными относительно преобразования Лоренца. В 1905 г. почти одновременно с Пуанкаре и не зная о работе Лоренца, Эйнштейн сформулировал в общей и вполне замкнутой форме специальную теорию относительности, где были, в частности, получены результаты Лоренца и Пуанкаре и было показано, что исходные принципы имеют гораздо более широкую область применимости. Вместо того чтобы исходить из электродинамики, Эйнштейн показал, что достаточно лишь двух постулатов, один из которых касается весьма общего свойства света.

    Два постулата Эйнштейна заключаются в следующем:

    Законы природы и результаты всех опытов, производимых в какой-либо системе отсчёта, не зависят от равномерного прямолинейного движения системы в целом. Таким образом, существует трижды бесконечное множество эквивалентных систем отсчёта, которые движутся прямолинейно с постоянными скоростями относительно друг друга и в которых все физические явления происходят одинаково.

    Для краткости эти эквивалентные координатные системы называют галилеевскими системами отсчёта. Постулат относительности согласуется со всем нашим опытом, накопленным в механике, где имеет смысл только относительное движение тел. Он согласуется также с опытом Майкельсона-Морли и делает бессмысленной постановку вопроса об определении движения относительно эфира.

    Эта гипотеза, которая в момент её выдвижения Эйнштейном ещё не была подтверждена экспериментально, является необходимой и решающей предпосылкой для получения преобразований Лоренца и всех их следствий (см. ниже). Поскольку этот постулат противоречит нашему классическому представлению о времени как о переменной, не зависящей от пространственных координат, то длительное время его не признавали. Было сделано много остроумных попыток создания теорий, которые объяснили бы все наблюдаемые явления без привлечений этой гипотезы. Одной из выдающихся попыток было видоизменение электродинамики, предложенное Ритцем. В этой теории два однородных уравнения Максвелла оставлялись без изменений, а уравнения, содержащие источники, видоизменялись таким образом, чтобы скорость света была равна с, только при измерении её относительно источника. В настоящее время экспериментально доказано, что все эти теории неверны, и установлено постоянство скорости света независимо от движения источника. Одним из таких экспериментов был опыт, поставленный с интерферометром Майкельсона-Морли, где вместо земного источника света использовался свет звёзд. При этом не было обнаружено никаких эффектов, связанных с изменением скорости света из-за относительного движения звезды и Земли. Другой эксперимент, где использовался свет от вращающихся двойных звёзд, показал, что скорость света в пределах точности не зависит от движения звёзд к нам или от нас (если с = с + kv, то |k| < 0,002).

Дата установки: 25.06.2015
[вернуться к содержанию сайта]

W