Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
480
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
найден в 1905 году Эйнштейном ценой отказа от классических представлений о пространстве и времени и от основанных на них преобразований Галилея. Отказ от преобразований Галилея и введение вместо них новых преобразований (преобразований Лоренца), оставляющих инвариантными при переходе от одной системы отсчета к другой уравнения электродинамики, а не уравнения механики, требует пересмотра и уточнения законов классической механики. Решающим шагом на этом пути оказался критический подход к используемому в классической физике понятию абсолютного времени. Классические представления, почерпнутые из повседневного опыта и кажущиеся наглядными и очевидными, в действительности оказались несостоятельными. Многие понятия и величины, которые в нерелятивистской физике считались абсолютными, т. е. не зависящими от системы ртсчета, теория относительности перевела в ранг относительных. Например, считавшееся абсолютным понятие одновременности двух событий б действительности является относительным: два удаленных события, происходящие одновременно в некоторой системе отсчета, не являются одновременными в другой системе, движущейся относительно первой. Промежуток времени между событиями, расстояние между точками в пространстве — эти величины также являются относительными.
Все физические явления происходят в пространстве и во времени, поэтому неудивительно, что внесенное теорией относительности уточнение некоторых основных понятий, в особенности воззрений на пространственные и временные измерения, затронуло в конечном счете всю физику.
Теория относительности основана на двух принципах, или постулатах:
1) принцип относительности;
2) принцип существования предельной скорости распространения взаимодействий.
Эти принципы содержат настолько сильные и общие утверждения, что едва ли возможно говорить о каких-либо «решающих» опытах, доказывающих их справедливость. Убеждение в справедливости этих принципов зиждется на бесчисленных опытных проверках следствий теории относительности, которая основана на этих принципах. Сюда относится вся совокупность экспериментальных дан-
§ 9. ПОСТУЛАТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ 481
ных, полученных при изучении движения быстрых частиц в приборах и ускорителях, атомных и ядерных процессов и т. п.
Принцип относительности, как уже отмечалось, есть утверждение об эквивалентности всех инерциальных систем отсчета. Равноправие всех инерциальных систем отсчета распространяется на все явления, на всю физику. Распространение принципа относительности на электромагнитные и оптические явления приводит к выводу о том, что скорость' света (электромагнитных волн) в пустоте во всех инерциальных системах отсчета одинакова. Отсюда сразу видна необходимость пересмотра классических представлений о пространстве и времени, так как основанный на них классический закон преобразования скорости находится в противоречии с неизменностью скорости света.
Второй постулат утверждает, что любые взаимодействия между телами распространяются в пустоте с универсальной конечной скоростью, не зависящей от движения тел и равной скорости света в вакууме с=3-1010 см/с. Эта скорость определяет тот промежуток времени, после которого до тела может дойти первый сигнал, дающий знать об изменении, происшедшем с другим телом. Значение этого второго постулата связано с тем, что в определении понятий, относящихся к пространству и времени, фундаментальную роль играет передача сигналов с предельной скоростью. Передача сигналов в принципе возможна не только при помощи электромагнитных волн (света), но и при помощи волн другой природы. Мыслимо, хотя практически и неосуществимо, использование гравитационных волн. Не исключено открытие каких-либо новых полей, способных передавать сигналы. Можно, наконец, представить себе передачу сигналов при помощи предельно быстрых частиц. Однако принцип существования универсальной предельной скорости распространения взаимодействий утверждает существование общего предела для скорости передачи каких-либо действий и сигналов и придает скорости света в вакууме универсальное значение, не связанное с физической природой взаимодействия, а отражающее некоторое объективное свойство пространства и времени. Очевидно, что второй постулат утверждает в то же время, что невозможно движение тел со скоростью, превышающей предельную универсальную скорость с.
482
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Отметим, что второй постулат находится в противоречии с принятым в классической механике способом описания взаимодействия материальных частиц, включающим в себя предположение о мгновенности распространения взаимодействий. В самом деле, силы, действующие на каждую из частиц со стороны остальных, считаются в классической механике зависящими от положения частиц в этот же момент времени. Изменение положения какой-либо из частиц мгновенно отражается, на остальных. Поэтому второй постулат неизбежно требует уточнения законов механики. Механика теории относительности в предельном случае, когда скорости движущихся тел малы по сравнению со скоростью света с, переходит в классическую механику, основанную на мгновенности распространения взаимодействий. Только большой величиной скорости распространения взаимодействий объясняется тот факт, что для макроскопических тел в большинстве случаев достаточно точной оказывается классическая механика. В большинстве случаев скорости, с которыми приходится Иметь дело, очень малы по сравнению с с. Поэтому в то время, когда была создана теория относительности, ее экспериментальное подтверждение можно было найти лишь в исключительно тонких оптических и электродинамических опытах. В настоящее время в больших ускорителях заряженные частицы нередко разгоняются до скоростей, составляющих 99% и более от скорости света. Для расчета траекторий столь быстрых частиц пользоваться механикой Ньютона уже нельзя. В этом смысле можно сказать, что теория относительности в наши дни стала инженерной наукой.
