Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
Разделение физики на различные дисциплины — механику, электродинамику и т. д. — является педагогическим приемом, не имеющим строгого аналога в природе. Действительно, никакой электромагнитный эксперимент не может быть осуществлен без механических деталей, и невозможно существование механических экспериментов, не зависящих от электромагнитного характера упругих свойств вещества. Поэтому из общепринятой строгой справедливости СПО в механике следует, что электромагнитные и другие силы также должны быть релятивистскими. Трудно представить, каким образом можно удовлетворить этому требованию без допущения строгой справедливости СПО для всех физических явлений.
10. Необходимость пересмотра понятий пространства и времени
В эпохальной статье Эйнштейна, опубликованной в 1905 г., были рассмотрены непосредственные следствия специального принципа относительности; в частности, было показано, что СПО делает необходимым глубокий пересмотр наших обычных представлений о пространстве и времени. Представим себе две группы физиков-экспериментаторов, лаборатории которых находятся в двух различных инерциальных системах / и /' и которые независимо друг от друга проводят эксперименты по определению фундаментальных законов электродинамики в вакууме. Если эти физики достаточно подготовлены, то обе группы в конце концов получат уравнения Максвелла с тем же значением константы с, поскольку из СПО следует, что результаты измерений с помощью тождественных экспериментальных установок в системах / и /' будут одинаковыми. Таким образом, скорость распространения электромагнитных волн должна иметь одно и то же значение с во всех инерциальных системах. Это находится в разительном противоречии с кинематическими представлениями, почерпнутыми из повседневного опыта и из понятий абсолютного пространства и времени. Как отмечалось в разд. 5, эти понятия приводят к теореме сложения скоростей, которая предсказывает различные значения скорости света в различных инерциальных системах. Однако Эйнштейну удалось показать, что тщательный анализ понятия скорости, т. е. обсуждение методов, с помощью которых может быть в дей-
2. Успехи и ограниченность эйнштейновской теории
25
ствительности осуществлено измерение скоростей, открывает возможность последовательного описания физических явлений в соответствии с СПО.
11. Понятие одновременности
Если световой сигнал посылается из точки А по замкнутому пути в инерциальной системе /, то средняя скорость света определяется как отношение длины пути I к времени А/, прошедшему между отправлением сигнала и его возвращением в А. Длину пути I можно измерить с помощью стандартных измерительных стержней, а At может быть определено по стандартным часам, покоящимся в Л. Таким образом, среднюю скорость света можно определить экспериментально в любой инерциальной системе, и СПО утверждает, что значение Ci найденное в опытах Физо и Фуко, будет получаться во всех инерциальных системах. С другой стороны, если световой сигнал движется по прямой линии из точки А в другую точку В в системе Ii то не так легко определить разность At = U —1\ с помощью объективных методов. Чтобы измерить времена отправления и прибытия сигнала t\ и t2, необходимы часы в А и другие (идентичные) часы в Б, и следует убедиться, что они правильно синхронизированы, т. е. стрелки обоих часов одновременно находятся в одном и том же положении.
В повседневной жизни синхронизация часов, находящихся в различных местах, осуществляется обычно посредством сигналов точного времени, передаваемых по радио. Если этот сигнал посылается в тот момент, когда часы на радиостанции показывают время t0i то все часы в городе устанавливаются на /о по прибытии временнбго сигнала. Для описания явлений, происходящих в ограниченной части пространства, это правомерно, так как скорости, встречающиеся в повседневной жизни, даже скорости сверхзвуковых самолетов, пренебрежимо малы по сравнению со скоростью распространения временнбго сигнала, которую поэтому можно считать бесконечной. Однако для точной синхронизации часов на больших расстояниях необходимо знать скорость распространения временнбго сигнала, и при измерении скорости заранее предполагается, как отмечалось выше, что двое часов, находящихся в разных местах, синхронизированы и что именно эту проблему должен помочь разрешить световой сигнал.
Результат проницательного эйнштейновского анализа привел к убеждению, что понятие одновременности двух событий в различных местах не имеет объективного смысла вне области повседневного опыта. В данной ситуации мы должны определить точно, что следует понимать под одновременностью
26
К. Мёллер
событий в различных инерциальных системах, чтобы понятие скорости также получило точный смысл. Как показал Эйнштейн, в настоящее время можно согласованно определить одновременность внутри каждой инерциальной системы таким образом, что скорость света в вакууме будет постоянной и равной о во всех таких системах.
12. Преобразования Лоренца
Если часы синхронизированы таким способом внутри произвольной инерциальной системы I и если в / введена декартова система координат (x,y,z), то любое физическое событие можно охарактеризовать четырьмя пространственно-временными координатами — координатами Лоренца
