Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
3. Принцип относительности отнюдь не утверждает, что одно и то же физическое явление выглядит одинаково в различных инер-циальных системах отсчета. Дело в том, что одни только дифференциальные уравнения механики не определяют движение системы. К ним необходимо присоединить еще начальные условия, например задать координаты и скорости всех взаимодействующих частиц в определенный момент времени. А эти начальные условия меняются при переходе от одной системы отсчета к другой. Именно из-за различия начальных условий движение предмета, свалившегося с полки равномерно движущегося вагона, происходит вниз по прямой линии, если его рассматривать относительно самого вагона, тогда как относительно полотна железной дороги то же движение совершается по параболе. Вот почему в формулировке принципа относительности говорится не об одинаковости явлений, а об одинаковости законов, определяющих изменение состояний движения механических систем.
Смысл принципа относительности можно также уяснить на следующем примере. Возьмем замкнутую систему тел А и зададим их начальные положения и скорости относительно инерциальной системы отсчета S. Пусть имеется тождественная с А другая замкнутая система тел А', в которой созданы в точности такие же начальные условия, но уже относительно инерциальной системы отсчета S'. Тогда движение в системе тел А относительно S будет тождественным с движением в системе тел А' относительно S'. В этом и состоит равноправие инерциальных систем, отсчета, устанавливаемое принципом относительности.
Принципиально взаимодействие имеет место между любыми телами Вселенной. Поэтому, если бы и существовали замкнутые системы, то единственной из таких систем могла бы быть, строго говоря, только вся Вселенная. Но тогда принцип относительности в том смысле, какой ему придан в последнем примере, был бы бессодержательным, так как двух Вселённых не существует. Принцип относительности только потому сохраняет содержание, что многими взаимодействиями, ввиду их слабости, можно пренебречь и таким путем выделить практически бесконечное множество ограниченных систем тел, каждая из которых приближенно ведет себя как замкнутая. В какой степени та или иная система удовлетворяет этому условию, зависит от исследуемого вопроса и от точности, какая предъявляется при его изучении. Достаточно ли для (приближенной) замкнутости системы отдаленности всех масс, не входящих § 102]
ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА
623
в рассматриваемую систему? Ответ в соответствии с опытом гласит, что в случае равномерного и прямолинейного движения (относительно инерциальной системы отсчета) этого достаточно, а для всех остальных видов движения недостаточно.
4. Явления природы не представляется возможным разделить на чисто «механические» и «немеханические». Если бы даже это и можно было сделать, то принцип относительности не мог бы относиться к одним только «механическим» явлениям. Действительно, всякое «механическое» явление связано с множеством «физических» явлений и обусловлено ими. И если бы принцип относительности не был справедлив для этих «физических» явлений, то он не мог бы оставаться справедливым и для «чисто механических» явлений. Поэтому принцип относительности необходимо распространить на все явления природы и дать ему следующую формулировку:
Законы природы, определяющие изменение состояний физических систем, не зависят от того, к какой из двух инерциальных систем отсчета, движущихся одна относительно другой прямолинейно и равномерно, они относятся.
Это положение называется частным, или специальным, принципом относительности Эйнштейна. Он устанавливает равноправие только инерциальных систем отсчета. На основе этого принципа Эйнштейн создал в 1905 г. частную, или специальную, теорию относительности. Через 10 лет он обобщил принцип относительности на случай произвольных неинерциальных систем отсчета и создал общую теорию относительности, иначе называемую релятивистской теорией тяготения. Эта фундаментальная теория приобрела особое значение в связи с астрофизическими открытиями последнего времени. Общая теория относительности стала основной теорией в астрофизике, в частности в космологии. Однако в нашем курсе мы можем ограничиться изложением только специальной теории относительности.
§ 102. Опыт Майкельсона
1. Основные уравнения электродинамики Максвелла — Лорентца не инвариантны относительно преобразования Галилея. Действительно, скорость света в вакууме, вычисленная из этих уравнений, равна постоянной с. Такой результат оставался бы верным во всех инерциальных системах отсчета, если бы в них уравнения Максвелла имели один и тот же вцд. Но это несовместимо с законом сложения скоростей (101.3), который является следствием преобразования Галилея.
Неинвариантность уравнений Максвелла относительно преобразования Галилея, как думали физики конца XIX и начала XX веков, не противоречит, однако, принципу относительности. Дело в том, что во всех электродинамических явлениях, помимо обыкновенного 624
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
[ГЛ. IX '
