Постулаты теории относительности

Веками считалось незыблемым: движение не влияет на течение времени — время абсолютно, и размеры тела не зависят от того, покоится оно или движется — длина абсолютна.

Специальная теория относительности Эйнштейна (1905) — новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену классическому.

Толчком стало развитие электродинамики.

Во второй половине XIX века Максвелл сформулировал законы электродинамики. Справедлив ли для электромагнитных явлений принцип относительности — протекают ли они одинаково во всех ИСО?

По законам электродинамики скорость электромагнитных волн в вакууме одинакова во всех направлениях: $c = 3 \cdot 10^8$ м/с.

Но по классическому закону сложения скоростей она может быть равна $c$ только в одной избранной системе; в системе, движущейся со скоростью $v$, свет летел бы со скоростью $c - v$. Тогда законы электродинамики менялись бы от системы к системе.

• Лоренц: принцип относительности не работает для электромагнитных явлений. Есть особая система, покоящаяся относительно всепроникающего «мирового эфира»; только в ней свет летит с одинаковой скоростью во все стороны.
• Герц: изменить уравнения Максвелла так, чтобы они не менялись при классическом переходе между ИСО; эфир полностью увлекается движущимися телами.
• Эйнштейн: сохранить и принцип относительности, и законы Максвелла, а отказаться от классических представлений о пространстве и времени. Неточны законы механики Ньютона, а не электродинамика.

Если свет имеет скорость $c$ только относительно эфира, то Земля, движущаяся сквозь эфир, должна ощущать «эфирный ветр» — как ветер в движущемся автомобиле.

В 1881 году Майкельсон и Морли сравнили скорость света вдоль движения Земли и поперёк него с помощью очень точного интерферометра, в разное время суток и года.

Результат всегда отрицательный: движения Земли относительно эфира не обнаружено. Избранной системы отсчёта нет, «светоносного эфира» тоже.

• Первый постулат (принцип относительности): все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта. Физические законы во всех ИСО имеют одинаковую форму — и механические, и электромагнитные.
• Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приёмника.
• Из постулатов следует: скорость света в вакууме — максимально возможная скорость передачи взаимодействий в природе.

Пусть в момент совпадения начал систем $K$ и $K_1$ (они движутся друг относительно друга со скоростью $v$) в начале координат вспыхивает свет. За время $t$ системы разойдутся на $vt$, а световая сфера будет иметь радиус $ct$.

Скорость света одна и та же в обеих системах — значит, для наблюдателя в $K$ центр сферы в точке $O$, а для наблюдателя в $K_1$ — в точке $O_1$. Как одна сфера может иметь два центра?

Противоречие — только с классическими представлениями о пространстве и времени, которые при больших скоростях неверны. Сама теория относительности непротиворечива; разгадка — на следующем уроке.

1. Первый постулат — принцип относительности (А).
2. Второй — постоянство скорости света в вакууме во всех ИСО (Б).
3. Оба утверждения — постулаты: вариант 3.

1. Скорость света не зависит от скорости источника (второй постулат).
2. Классическое «$c + v$» здесь неверно — вариант 3.
3. Строго говоря, постулат говорит о вакууме; в воздухе скорость света почти та же, и вывод не меняется.

1. Скорость света в вакууме не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приёмника или отражателя.
2. В любой ИСО она равна $c$ — вариант 4.

1. Постулат относится к инерциальным системам и к вакууму.
2. В средах скорость света меньше $c$ и зависит от среды; классический закон сложения для света не работает.
3. Ответ — вариант 2.

• Классика: время и длина абсолютны; это противоречит постоянству скорости света из электродинамики.
• Опыт Майкельсона — Морли не обнаружил движения Земли относительно эфира: избранной системы нет.
• 1-й постулат: все процессы в природе одинаковы во всех ИСО.
• 2-й постулат: скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО и не зависит от скорости источника и приёмника.
• Скорость света в вакууме — предельная скорость передачи взаимодействий.