Пространство, время и относительность - Неванлинна Р.
Скачать (прямая ссылка):
Из принципа относительности следует, что в физике не имеет никакого смысла говорить об абсолютном пространстве. Законы кинематики и динамики построены так, что все галилеевы системы полностью равноправны между собой, и с принципиальной точки зрения ни одна из таких систем отсчета не может претендовать на то, чтобы в каком-либо отношении считаться «абсолютной». Несмотря на то что этот вывод является фундаментальной особенностью физики Ньютона, невозможность установления «абсолютной» системы координат с полной ясностью была обнаружена значительно позже, в конце XIX столетия. Препятствием для разъяснения среди прочих обстоятельств была гипотеза эфира: мировой эфир рассматривался как среда, устанавливающая «абсолютную» систему координат мирового пространства (систему покоя эфира). Однако не существовало никакого способа, который позволил бы обнаружить эту «абсолютную» систему. Опыт Майкель-сона (стр. 166) дал отрицательный результат, позволивший окончательно решить этот вопрос. С другой стороны, принцип возможности опытной проверки, сформулированный Махом, исключает из эмпирического исследования понятия, не влекущие за собой следствий, допускающих эмпирическую проверку. Таким образом, критический подход Маха также внес существенный вклад в релятивизацию пространства.
При неравномерном движении одной системы отсчета относительно другой возникают так называемые принуждающие силы (силы инерции) например центробежные. Долгое время пытались рассматривать возникновение таких сил как доказательство существования абсолютного пространства. В частности, сплющенность земного шара пытались объяснить как результат вращения Земли относительно «абсолютного пространства». Однако, как убедительно показал Мах, это явле-ние имеет естественное объяснение: его можно понимать как действие материи, распределенной в мировом пространстве. Земля совершает сложное относительное движение по отношению к небу неподвижных звезд. Как
203
ГЛ. IV. классическая И РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ДИНАМИКА
уже было сказано на стр. 136, с неподвижными звезда* ми можно связать систему координат, но только приближенно, статистически, однако не имеется никаких оснований для возведения этой системы в ранг абсолютной пространственной системы.
Аналогичным образом можно объяснить известный опыт Фуко с маятником: если подвесить шар на длинном шнуре и привести его в колебательное движение, то плоскость, в которой будут происходить эти колебания, в течение 24 часов повернется на 360°. Вместо того чтобы объяснять это явление как следствие вращения Земли относительно «абсолютного пространства», естественнее понимать его как результат притяжения качающегося маятника распределенной в мировом пространстве материей.
§ 3. Релятивистский принцип относительности.
Динамика Эйнштейна — Минковского
Применение классического принципа относительности ограничивается только областью механики. К электромагнитным и оптическим явлениям он неприменим. Электромагнитная теория (включающая в себя также волновую оптику) была исчерпывающе развита в прошлом столетии. Это было заслугой в первую очередь двух великих ученых. Майкл Фарадей (1791—1867) своими блестящими открытиями в области электромагнитных и связанных с ними индукционных явлений подготовил почву, на которой позже, около ста лет тому назад, Джемс Клерк Максвелл (1831 —1879) создал свою теорию электромагнитных и оптических явлений. Вся эта теория может быть выражена знаменитыми четырьмя уравнениями (в частных производных) Максвелла, из которых выводятся все электромагнитные и оптические явления.
При создании своей теории Максвелл оставался на почве классической физики. В частности, он исходил из старого представления об абсолютном времени. Тем более примечательно, что основные законы его теории, выражаемые упомянутыми четырьмя уравнениями, не Подчиняются классическому принципу относительности;
204
5 3. РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
вид этих уравнении зависит от выбора галилеевой системы, взятой за основу для изучения электромагнитных явлений природы. И еще более примечательно, что уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца. Более того, преобразования Лоренца можно вывести, если поставить требование, чтобы основное уравнение Максвелла, так называемое волновое уравнение, оставалось инвариантным во всех системах К, К, ..., движущихся одна относительно другой с постоянной скоростью.
Таким образом, в самой классической физике содержится скрытое указание на теорию относительности. Однако историческое развитие шло не по этому пути. К понятию относительного времени и к преобразованию Лоренца пришли только почти сорок лет спустя после возникновения теории Максвелла и независимо от нее. При этом побуждающей причиной была, как мы видели в главе III, совсем другая: возникла необходимость привести кинематику в соответствие с постулатом Эйнштейна о постоянстве скорости света.
Только после того, как Эйнштейн релятивизировал понятие времени и заменил преобразования Галилея преобразованиями Лоренца, было обнаружено, что теория Максвелла обладает примечательным свойством инвариантности относительно преобразований Лоренца, Это обстоятельство привело к укреплению позиций теории относительности.
