Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
12
I. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
принципа относительности на электромагнитные явления? Протекают ли электромагнитные и оптические процессы — взаимодействие зарядов и токов, распространение света — одинаково во всех инерциальных системах отсчета или равномерное прямолинейное движение лаборатории, не оказывая влияния на механические явления, сказывается на электромагнитных явлениях? Вся совокупность экспериментальных данных говорит о том, что принцип относительности распространяется на все явления: как механические, так и электромагнитные и оптические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Исторически наиболее важные опыты, подтверждающие универсальный характер принципа относительности, — это электродинамический опыт Троутона и Нобля с заряженным конденсатором, подвешенным на упругой нити, и оптический опыт Майкельсона и Морли с интерферометром специальной конструкции. В этих опытах, поставленных специально для обнаружения влияния движения связанной с Землей лаборатории на взаимодействие зарядов и распространение света, был получен отрицательный результат: никакого влияния обнаружено не было.
Однако уравнения электродинамики при переходе от одной инерциальной системы к другой, в отличие от уравнений динамики Ньютона, не являются инвариантными относительно преобразований Галилея. Простые соображения показывают, что преобразования Галилея не удовлетворяют принципу относительности в отношении законов электродинамики и оптики. В самом деле, согласно уравнениям Максвелла скорость распространения электромагнитных волн, в частности света, в вакууме одинакова по всем направлениям и равна с = 3-1010 см/с. Но, с другой стороны, в соответствии с классическим законом преобразования скорости, вытекающим из преобразований Галилея, скорость света может быть по всем направлениям равна с только в одной инерциальной системе отсчета. Например, если скорость света равна с в системе К, то в К' свет должен распространяться в положительном направлении оси х со скоростью с — v, а в отрицательном — со скоростью с + v. Отсюда можно сделать вывод, что уравнения электродинамики не инвариантны относительно преобразований Галилея.
Таким образом, между электродинамикой и классической механикой имеют место определенные противоречия. Опытные данные свидетельствуют о том, что принцип относительности распространяется на все явления, как механические, так и электродинамические и оптические. В то же время преобразования Галилея удовлетворяют принципу относительности в отношении законов механики и не удовлетворяют в отношении законов электродинамики и оптики.
Отказ от классических представлений. На рубеже XIX и XX веков физика переживала глубокий кризис, единственно правильный
§ 1. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
13
революционный выход из которого был независимо найден такими гигантами, как А. Пуанкаре и А. Эйнштейн, ценой отказа от классических представлений о пространстве и времени и от основанных на них преобразований Галилея. И Эйнштейн, и Пуанкаре опирались на работы X. А. Лоренца, весьма близко подошедшего к решению проблемы, но не сумевшего сделать последний решительный шаг.
Отказ от преобразований Галилея и введение вместо них новых преобразований — преобразований Лоренца, оставляющих инвариантными при переходе от одной инерциальной 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 отсчета, теория относительности перевела в ранг относительных. Например, считавшееся абсолютным понятие одновременности двух событий в 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.
Постулаты теории относительности. 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 данных, полученных при изучении движения быстрых частиц в приборах и ускорителях, атомных и ядерных процессов и т. п.
