Постулаты СТО

Постулат 1 (принцип относительности Эйнштейна). Любое физическое явление протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Это означает, что форма зависимости физических законов от пространственно-временных координат должна быть одинаковой во всех ИСО, то есть законы инвариантны относительно переходов между ИСО. В частности отсюда следует, что если скорость некоторого тела в данной ИСО постоянна, то она должна быть постоянна и во всех остальных ИСО (иногда это и принимают за определение ИСО).

Постулат 2 (принцип постоянства скорости света). Скорость света в «покоящейся» системе отсчёта не зависит от скорости источника. Поскольку источник имеет разные скорости в разных ИСО, то это означает, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах. Данный постулат также может быть сформулирован как принцип существования предельной (максимальной) скорости распространения взаимодействий, которая, в силу первого постулата должна быть одинаковой во всех ИСО.

Кроме указанных основных постулатов, предполагается (как и в классической механике) также однородность пространства и времени и изотропность пространства.

Таким образом, в Эйнштейновской теории относительности принцип относительности распространяется на все явления природы (не только на механические, как в принципе относительности Галилея), в том числе на явления распространения света. А согласно уравнениям Максвелла, скорость распространения света является определённой величиной, не зависящей от скорости источника (по крайней мере в одной системе отсчёта). Принцип относительности в таком случае говорит, что она не должна зависеть от скорости источника во всех ИСО в силу их равноправности. А значит, она должны быть постоянной во всех ИСО.

Принцип постоянства скорости света противоречит классической механике, а конкретно - закону сложения скоростей. При выводе последнего используется только принцип относительности Галилея и неявное допущения одинаковости времени во всех ИСО. Таким образом, из справедливости второго постулата следует, что время должно бытьотносительным - неодинаковым в разных ИСО. Относительным становится также и понятие "одновременности" событий.

Нобходимо отметить, что световые сигналы, вообще говоря, не требуются при обосновании СТО. Хотя неинвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Галилеяпривела к построению СТО, последняя имеет более общий характер и применима ко всем видам взаимодействий и физических процессов. Фундаментальная константа , возникающая в преобразованиях Лоренца, имеет смысл предельной скорости движения материальных тел. Численно она совпадает со скоростью света, однако этот факт, согласно современной квантовой теории поля (уравнения которой изначальна строятся как релятивистски инвариантные) связан с безмассовостью электромагнитных полей. Даже если бы фотонимел отличную от нуля массу, преобразования Лоренца от этого бы не изменились. Поэтому имеет смысл различать фундаментальную скорость и скорость света ^[8]. Первая константа отражает общие свойства пространства и времени, тогда как вторая связана со свойствами конкретного взаимодействия. В связи с этим второй постулат можно переформулировать как существование некоторой скорости , одинаковой во всех ИСО или существования предельной (максимальной) скорости движения.

После построения Эйнштейном СТО на основе вышеуказанных постулатов, многие исследователи пытались отказаться от второго постулата вообще. Спустя 5 лет после известной статьи Эйнштейна 1905 года, благодаря работам Игнатовского^[9], Ф.Франка и Г.Роте^[10] (см. исторический очерк) стал известен способ получения общего вида (с точностью до неопределенной константы)преобразований Лоренца без использования второго постулата. При "правильном" знаке неопределенного параметра эти преобразования совпадают с преобразованиями Лоренца. Из этого следует наличие максимальной скорости, одинаковой во всех ИСО. Тем не менее, знак этой константы из предложенных аксиом никак не следует. Предлагается оценивать значение параметра экспериментально. Чтобы измерить этот параметр, а значит и фундаментальную скорость , нет необходимости проводитьэлектродинамические эксперименты. Можно, например, на основе измерений скорости одного и того же объекта в разных ИСО и воспользоваться законом сложения скоростей с неопределенным параметром ^[11]. Необходимо, однако, отметить, что экспериментальное "вычисление" знака неопределенной константы фактически эквивалентно предположению о наличии максимальной скорости, то есть по существу второму постулату.

Релятивистская механика — раздел физики, рассматривающий законы механики (законы движения тел и частиц) при скоростях, сравнимых со скоростью света. При скоростях значительно меньших скорости света переходит в классическую (ньютоновскую) механику.

33 Преобразование для координат и времени в классической и релятивисткой механике

34 Лоренцево сокращение длины, понятие одновременности в СТО

Лоренцево сокращение, Фицджеральдово сокращение, также называемое релятивистским сокращение длины движущегося тела или масштаба — предсказываемый релятивистской кинематикой эффект, заключающийся в том, что с точки зрения наблюдателя движущиеся относительно него предметы имеют меньшую длину (линейные размеры в направлении движения), чем их собственная длина. Множитель, выражающий кажущееся сжатие размеров, тем сильнее отличается от 1, чем больше скорость движения предмета.

Эффект значим, только если скорость предмета по отношению к наблюдателю сравнима со скоростью света.

35 Релятивистское сложение скоростей

Теория относительности даёт ответ на этот вопрос. Она расширяет понятие принципа относительности, распространяя его и на оптические процессы. Правило сложение скоростей при этом не отменяется совсем, а лишь уточняется для больших скоростей с помощью преобразования Лоренца:

Можно заметить, что в случае, когда , преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея. Это говорит о том, что специальная теория относительности совпадает с механикой Ньютона при скоростях, малых по сравнению со скоростью света. Это объясняет, каким образом сочетаются эти две теории — первая является уточнением второй.

36 Релятивистский импульс, сила, масса и энергия.