Постулаты специальной (частной) теории относительности

Классическая механика Ньютона прекрас­но описывает движение макротел, движу­щихся с малыми скоростями (υ << c). Од­нако в конце XIX в. выяснилось, что выво­ды классической механики противоречат некоторым опытным данным, в частности при изучении движения быстрых заря­женных частиц оказалось, что их движе­ние не подчиняется законам механики. Да­лее возникли затруднения при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света. Если источник и приемник света движутся друг относи­тельно друга равномерно и прямолинейно, то, согласно классической механике, изме­ренная скорость должна зависеть от отно­сительной скорости их движения. Амери­канский физик А. Майкельсон в своем знаменитом опыте в 1881 г., а затем в 1887 г. совместно с Е. Морли - опыт Майкельсона - Морли - пытался обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер), применяя интер­ферометр Майкельсона. Обна­ружить эфирный ветер Майкельсону не удалось, как, впрочем, не удалось его об­наружить и в других многочисленных опы­тах. Опыты «упрямо» показывали, что ско­рости света в двух движущихся друг отно­сительно друга системах равны. Это противоречило правилу сложения скоро­стей классической механики.

Одновременно было показано противо­речие между классической теорией и урав­нениями Максвелла, лежащи­ми в основе понимания света как электро­магнитной волны.

Для объяснения этих и некоторых дру­гих опытных данных необходимо было со­здать новую механику, которая, объясняя эти факты, содержала бы ньютоновскую механику как предельный случай для ма­лых скоростей (υ<< c). Это и удалось сде­лать А. Эйнштейну, который заложил основы специальной теории относительно­сти. Эта теория представляет собой совре­менную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория относи­тельности часто называется также реляти­вистской теорией, а специфические явле­ния, описываемые этой теорией, - реляти­вистскими эффектами.

В основе специальной теории относи­тельности лежат постулаты Эйнштей­на, сформулированные им в 1905 г.

I. Принцип относительности:никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные внутри данной инерциальной системы отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы ин­вариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

II. Принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат Эйнштейна, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физиче­ские процессы, утверждает, таким обра­зом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описываю­щие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Со­гласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления (механические, электродина­мические, оптические и др.) во всех инер­циальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату Эйнштей­на, постоянство скорости света - фундаментальное свойство природы, которое констатируется как опытный факт.

5.3. Преобразования Лоренца

Анализ явлений в инерциальных системах отсчета, проведенный А. Эйнштейном на основе сформулированных им постулатов, показал, что классические преобразования Галилея несовместимы с ними и, следова­тельно, должны быть заменены преобразо­ваниями, удовлетворяющими постулатам теории относительности.

Эти преобразования предложены Лоренцом в 1904 г., еще до появления теории относительности, как преобразования, относительно которых уравнения Макс­велла инвариантны.

Рассмотрим две инерциальные системы отсчета: К (с координатами x,y, z) и К' (с координатами x′, y′, z′), движущуюся относительно К вдоль оси x со скоростью = const (рис.5.2).

Преобразования Лоренца в этом случае имеют вид

К К' К′′ К

x′ = , x = ,

y′ = y, y = y′, (5.5)

z′ = z, z = z′,

t′ = , t = ,

β = υ / c.

Из сравнения приведенных уравнений вытекает, что они симметричны и отличаются лишь знаком при . Это очевидно, так как если скорость движения системы К' относительно системы К равна , то скорость движения К относительно К' равна (- ).

Из преобразований Лоренца вытекает также, что при малых скоростях (по сравнению со скоростью света), они переходят в классические преобразования Галилея.

Из преобразований Лоренца следует очень важный вывод о том, что как рассто­яние, так и промежуток времени между двумя событиями меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, в то время как в рамках пре­образований Галилея эти величины счита­лись абсолютными, не изменяющимися при переходе от системы к системе. Таким образом, теория Эйнштейна оперирует не с трехмерным простран­ством, к которому присоединяется понятие времени, а рассматривает неразрывно свя­занные пространственные и временные ко­ординаты, образующие четырехмерное пространство-время.

 

5.4. Следствия из преобразований Лоренца

Длительность событий в разных системах отсчета. Пусть в некоторой точке (с координатой х), покоящейся относи­тельно системы К, происходит событие, длительность которого (разность показа­ний часов в конце и начале события) τ = t ₂ – t ₁, где индексы 1 и 2 соответствуют началу и концу события. Длительность этого же события в системе К′

τ' = t' ₂ - t′ ₁,(5.6)

причем началу и концу события, согласно (5.5), соответствуют

t′ ₁ = , t′ ₂ = . (5.7)

Подставляя (5.7) в (5.6), получаем

τ′ = (t₂ – t ₁)/ = τ / . (5.8)

Из соотношения (5.8) вытекает, что τ < τ ', т. е. длительность события, проис­ходящего в некоторой точке, наименьшая в той инерциальной системе отсчета, отно­сительно которой эта точка неподвижна. Этот результат может быть еще истолко­ван следующим образом: интервал време­ни τ ', отсчитанный по часам в системе К', с точки зрения наблюдателя в системе К, продолжительнее интервала τ, отсчитан­ного по его часам. Следовательно, часы, движущиеся относительно инерциальной системы отсчета, идут медленнее покоя­щихся часов, т. е. ход часов замедляется в системе отсчета, относительно которой часы движутся.

Длина тел в разных системах отсче­та. Рассмотрим стержень, расположенный вдоль оси х' и покоящийся относительно системы К'. Длина стержня в системе К' будет l′ ₀ = x′ ₂ - х' ₁, где х' ₁и x′ ₂ - не изменя­ющиеся со временем t′ координаты начала и конца стержня, а индекс 0 показывает, что в системе отсчета К' стержень покоит­ся. Определим длину этого стержня в системе К, относительно которой он движется со скоростью υ. Для этого необхо­димо измерить координаты его концов х ₁и x ₂в системе К в один и тот же момент времени t. Их разность l = х ₂ – x ₁и даст длину стержня в системе К. Используя преобразования Лоренца (5.5), полу­чим

l′ ₀ = x′ ₂ - х' ₁ = - = = l/ . (5.9)

Таким образом, длина стержня, измерен­ная в системе, относительно которой он движется, оказывается меньше длины, из­меренной в системе, относительно которой стержень покоится. Если стержень покоит­ся в системе К, то, определяя его длину в системе К', опять-таки придем к выраже­нию (5.9).

Из выражения (5.9) следует, что ли­нейный размер тела, движущегося относи­тельно инерциальной системы отсчета, уменьшается в направлении движения в раз, т. е. так называемое лоренцево сокращение длинытем больше, чем больше скорость движения.