Рис. 6. Скорость стрелы
[вернуться к содержанию сайта]
Частный принцип относительности не содержит конкретного рецепта правильной записи физических законов; чтобы внести в них нужные исправления, надо привлечь дополнительные соображения. В предыдущем параграфе мы уже говорили, что в применении к электродинамике Лоренц такие соображения нашёл: правила перехода от одной инерциальной системы к другой (преобразования Лоренца) он конкретизировал, потребовав, чтобы уравнения Максвелла выглядели совершенно одинаково в любой инерциальной системе отсчёта. Однако если берёшься за исправление всех физических законов, то желательно по возможности избегать опоры на какую-то, хотя, может быть, и верную, но слишком узкую теорию (например, на теорию Максвелла), потому что в будущем в такой узкой теории могут вскрываться те или иные недостатки, и тогда перестроенную на её основе общую физическую теорию придётся снова переделывать.
Предпочтительнее избрать в качестве принципа, положенного в основу перестройки всей физики, какой-либо твёрдо установленный и охотно признаваемый всеми экспериментальный факт. Лоренц при выводе своих преобразований опирался на теорию Максвелла, но она в полном объёме для вывода преобразований Лоренца не нужна. И Эйнштейн построил новую физическую систему, получившую название частной теории относительности, используя в качестве исходного принципа только одно из положений теории Максвелла. Конечно, принцип Эйнштейна согласуется с теорией Максвелла, но поскольку она к этому принципу не сводится, то, даже если в будущем в ней обнаружатся дефекты и от неё придётся отказаться, избранное Эйнштейном в качестве основы утверждение может остаться верным, и тогда, несмотря на “гибель” почти всей теории Максвелла, частная теория относительности “выживет”.
Эйнштейн постулировал, что скорость света в вакууме не изменяется при изменении состояния движения источника света. Иначе говоря, он потребовал, чтобы скорость света в вакууме не зависела от того, движется или покоится источник света. Выдвинутое Эйнштейном требование называют принципом постоянства скорости света.
Заключённое в этом принципе утверждение отнюдь не очевидно. В самом деле, обозначим u измеренную неподвижным наблюдателем скорость стрелы, выпущенной из лука стрелком A, стоящим на утёсе (рис. 6). Если скачущий со скоростью v всадник B посылает стрелу с такой же силой, как и A, то неподвижный наблюдатель увидит, что стрела, испущенная B, летит со скоростью u+v. Далее, обозначим u скорость распространения в воздухе звука, издаваемого сиреной, находящейся на пожарной вышке. Понятно, что с той же скоростью будет распространяться в воздухе звук от сирены, установленной на мчащейся со скоростью v патрульной полицейской машине (рис. 7). Скорость звука в воздухе зависит от степени его неоднородности, температуры, давления, но не зависит от состояния движения источника звука. Заранее не ясно, как ведёт себя скорость распространения света: как скорость стрелы или как скорость звука? Узнать ответ на этот вопрос можно только из опыта. Основываясь на экспериментальных фактах, Эйнштейн постулировал, что в смысле связи с движением источника свет аналогичен звуку.
Рис. 6. Скорость стрелы
Рис. 7. Скорость распространения звуковых волн
Объединение принципа постоянства скорости света и частного принципа относительности приводит к ряду следствий, неприемлемых для обычного здравого рассудка. Поэтому появление частной теории относительности было сенсационным не только для “широкой публики”, но и для специалистов-физиков. Поскольку читателю, может быть, интересно ознакомиться с некоторыми из таких необычных выводов, мы рассмотрим их в следующем параграфе.
Самая большая скорость. Как ни старались люди измерить скорость света еще в далекие времена, ничего из таких попыток не получалось. Только в 1676 г. датский астроном О. Рёмер, наблюдая затмение спутника Юпитера, нашёл способ вычисления скорости света в пустом пространстве – вакууме.
Трудности измерения связаны с очень большой величиной скорости света. За миллионную долю секунды свет проходит 300 м. За 8 мин пробегает расстояние от Земли до Солнца, а ведь это 150 млн. км! По современным измерениям световая скорость в вакууме равна 299 792 км/с.
Рис. 6. Независимость световой скорости от скорости источника.
Оказалось, что скорость света обладает удивительным свойством – она не зависит от скорости источника. Такой вывод был сделан из опытов А. Майкельсона.
Что же означает независимость скорости от движения источника? Допустим, на корабле, который стоит на якоре, по цели стреляет носовая пушка и при этом скорость снаряда равна vс (рис. 6). Затем корабль двинулся к цели со скоростью vк. Новый выстрел. Теперь снаряд летит к цели со скоростью vс+vк. Выпущенный в это же самое время снаряд из кормовой пушки будет двигаться со скоростью vс–vк. Иными словами, при стрельбе по направлению хода скорость корабля прибавляется к скорости снаряда, а при стрельбе в противоположном направлении – вычитается. А свет прожекторов, установленных на мачтах, дойдёт до равностоящих от корабля пунктов A и B одновременно, с какой бы скоростью ни шёл корабль.
Получается, что свет не подчиняется простому правилу сложения скоростей. Этот результат – один из краеугольных камней современной физики. В основе теории относительности, созданной великим физиком А. Эйнштейном, лежит факт, полученный опытным путём: независимость скорости света от скорости источника. Одно из главных положений теории относительности заключено в том, что в природе не существует скорости, большей скорости света в вакууме. Эта самая большая, или предельная, скорость.
Если выстрелить из движущегося реактивного самолёта по направлению его движения, то скорость пули относительно Земли будет больше, чем скорость пули, выпущенной из ружья на Земле. Скорость пули относительно Земли получается сложением скорости самолёта и скорости пули. В случае же света скорость пучка не зависит от скорости предмета, которым свет был испущен. Этот факт был убедительно доказан экспериментально в конце девятнадцатого и начале двадцатого века и с тех пор неоднократно подтверждался. Последняя проверка производилась в 1955 г. советскими астрономами, использовавшими свет от противоположных сторон вращающегося Солнца. Один край нашего Солнца всегда движется к нам, а другой – в противоположную сторону. Было найдено, что свет от обоих краев приходит к Земле с одинаковой скоростью. Подобные опыты делались и десятилетия назад со светом от вращающихся двойных звёзд. Несмотря на движение источника, скорость света в пустоте всегда одинакова: она несколько меньше 300000 км/с.
Дата установки: 04.04.2012
[вернуться к содержанию сайта]
