Принцип относительности в специальной теории относительности

После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи — электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея и на электромагнитные явления, т. е. сохраняется ли вид уравнений Максвелла при рассмотрении их в различных инерциальных системах координат?

Интересно
Оказалось, что если воспользоваться преобразованиями координат Галилея, то вид уравнений Максвелла не сохраняется. Это приводило к далеко идущим выводам. В частности, к фундаментальному выводу о том, что законы движения двух материальных субстанций — вещества и поля — существенно различны.

Ввиду важности этого обстоятельства начался период длительного и всестороннего рассмотрения этого вопроса, как в части экспериментального подтверждения такого заключения, так и в части анализа уравнений Максвелла.

Одно из исследований уравнений Максвелла, проведенное Хендриком Антоном Лоренцем (1853–1928 гг.), показало, что можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (х, у, z, t) к другой (х´, у´, z´, t´) инерциальной системе координат, если преобразование координат и времени произвести в соответствии со следующей схемой, которую сейчас называют преобразованиями Лоренца:

— отношение скорости движения одной инерциальной системы относительно другой к скорости света.

В дальнейшем оказалось, что эти соотношения на самом деле отражают очень глубокое физическое содержание, а вначале преобразования Лоренца только вызвали целый ряд недоуменных вопросов.

Из формул Лоренца следовало, что пространственные и временные преобразования не являются независимыми: в преобразование координат входит время, а в преобразование времени входят координаты, что время в разных системах координат течет по-разному и целый ряд других подобных “странностей”.

Разрешил все возникшие вопросы А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Он выдвинул новую радикальную идею о связи пространства и времени. Найденное Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время — совершенно различные и не связанные друг с другом понятия.

С точки зрения Эйнштейна, реальный мир представляет собой не трехмерное, а четырехмерное пространство, поскольку оно также должно включать время, так как пространственные и временные координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство-время.

Анализ принципа относительности Галилея привел Эйнштейна к выводу, что этот принцип является одним из самых фундаментальных законов, который применим не только к механическим, но и к любым другим явлениям природы — тепловым, электромагнитным, оптическим и т. п.

В результате Эйнштейн сформулировал два постулата, легшие в основу специальной теории относительности:

  1. Принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом.
  2. Принцип постоянства скорости света, утверждающий, что во всех инерциальных системах скорость света в вакууме одинакова и равна с = 3 . 10⁸ м/с.

Первый постулат, по сути, распространяет принцип относительности Галилея для законов механики на законы электродинамики. Второй основан на уже достаточно хорошо установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света.

Из СТО следует, что время, линейные размеры и масса тел являются относительными. Их величина зависит от того, в какой инерциальной системе координат мы их рассматриваем.

Оказывается, время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, что промежуток времени между двумя какими-либо событиями будет зависеть от выбора системы координат, и следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе координат, будут не одновременными в других системах отсчета.

Как и в механике Ньютона, в СТО считается, что пространство однородно и изотропно, а время однородно. Но если в механике Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство-время.

Из закона сложения скоростей следует, что если скорость света в какой-либо системе координат равна c, то она будет такой же и относительно любой другой инерциальной системы координат.

Действительно, если v = c и v = c, то v = c + c = c , т. е. 0 x 1 + 1 при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Таким образом, скорость света является максимально возможной скоростью в природе.

Из приведенных соотношений относительно длины, времени, массы видно, что эффекты СТО могут быть заметны только при скоростях, близких к скорости света.

Если же скорость тела не соизмерима со скоростью света, т. е. <<1, то так называемые релятивистские эффекты становятся малы, ими можно пренебречь, и тогда релятивистская механика Эйнштейна переходит в классическую механику Ньютона.

В заключение следует подчеркнуть, что все выводы СТО в настоящее время нашли полное экспериментальное подтверждение.

Узнай цену консультации

"Да забей ты на эти дипломы и экзамены!” (дворник Кузьмич)