Постулаты специальной теории относительности.

 

Классическая механика Ньютона, как теория движения, долгое время находилась в полном согласии с опытом, пока не были проведены эксперименты по определению скорости света. Применение элементарного преобразования Галилея относительно движущегося приемника или источника приводит к тому, что скорость света c_R = c ±u, где u – скорость приемника, который движется навстречу источнику (+) или от него (-) относительно движущегося приемника должна определяться как

Однако многочисленные попытки подтвердить это равенство оказались безуспешными. Во всех экспериментах с движущимся источником скорость света оказывалась неизменной в свободном пространстве c_R = с, т.е. имела одно и то же значение во всех си­стемах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относи­тельно источника света. Другими словами, скорость света оказа­лась инвариантной для, инерциальных систем отсчета.

Кроме этого, в природе не было обнаружено объектов, дви­жущихся с большей скоростью, чем скорость света. Не увенчались успехом и попытки ускорить, в частности, заряженные, частицы до скоростей, больших или равных скорости света.

В связи с этим было признано, что механика Ньютона является ограниченно справедливой, т.е. справедлива для движения больших масс и малых скоростей, где ее выводы хорошо совпада­ют с практикой. В результате возникла необходимость создания новой, более всеобъемлющей механики, которая включала бы ме­ханику Ньютона, как частный предельный случай для малых скоростей.

Такую теорию в 1906 г. предложил Эйнштейн. Она получила название специальной (частной) теорий относительности. В основу теории Эйнштейн положил два постулата:

1.

 

 

Принцип относительности, который является обобщением принципа относительности Галилея на любые физические процес­сы. Он формулируется следующим образом:

Все физические явления протекают одинаково во всех инер­циальных системах. Или другими словами: все законы природы и уравнения, их описывающие, инвариантны (не изменяются) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Таким образом, никаким опытом нельзя, в принципе, выде­лить предпочтительную инерциальную систему, они все эквива­лентны.

2. Скорость света в вакууме не зависит от движения источника и одинакова во всех направлениях, т.е. скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах и является предельной.

С=3*10⁸ м/с

Из этого постулата следует, что никакой сигнал, никакое воздействие одного тела на другое не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Это положение принципиально отличается от положенного в основу механики Ньютона положения, что взаимодействие тел распространяется мгновенно, т.е. с бесконечно большой скоростью.

 

факт постоянства скорости света требует пересмотра представлений о геометрии мира и представлений о времени.

Рассмотрим две инерциальные системы отсчета:

К с осями XYZ и началом в точке О и K’ с осями X’Y’Z’ и началом в точке O’. Времена t и t’ в обеих системах отсчитываются от момента, когда точки

O и O’ совпадали. При t = t’= 0 в начале координат происходит вспышка света. ОА = ОВ = l; O’A’ = O’B’ = l;

Рассмотрим в какой последовательности во времени световой сигнал будет достигать точек A, B, A’, B’. (Обе системы равноправны, свет в обеих системах распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях).

Система К. Световой сигнал достигает точек А и В через одинаковое время t = l/c. Точка A’ движется навстречу лучу света и будет поэтому освещена раньше. Точка B’ удаляется от источника света и будет освещена позже всех.

Свет достигнет точки A’ раньше всех;

Свет достигнет точек A и В одновременно;

Свет достигнет точки В’ позже всех.

Система К’.

Свет достигнет точки B раньше всех;

Свет достигнет точек A’ и В’ одновременно;

Свет достигнет точки A позже всех.

Таким образом, в специальной теории относительности в от­личие от механики Ньютона при переходе от одной системы коор­динат к другой преобразования координат и времени должны быть такими, чтобы (в отличие от преобразований Галилея) значение скорости света было независимо от движения источника.

Такая форма преобразования координат и времени получила название преобразований Лоренца.

x’ = ; x =

y’ = y; y = y’

z’ = z; z = z’

t’ = ; t = ;

 

Лоренц был уверен в том, что время во всех системах отсчета должно течь одинаково. Поэтому преобразования времени он счел фиктивными, а следовательно и все остальные преобразования лишенными физического смысла. Лишь Эйнштейн сумел понять, что речь идет об истинных временах инерциальных систем S и S’. Величина t есть реальное время системы отсчета S, t’ –столь же реальное время системы отсчета S’.

Из преобразований Лоренца следует, что как расстояние, так и промежуток времени между двумя событиями меняется при переходе от одной системы отсчета к другой. В закон преобразования координат входит время, в закон преобразования времени- координаты. Устанавливается взаимосвязь пространства и времени.