Элементы Специальной Теории Относительности

Элементы Специальной Теории Относительности

В начале XX в. в физике начали создаваться две революционные теории, существенно изменившие наше представление о природе: квантовая теорияи теория относительности.

Специальная теория относительности Эйнштейна занимается изучением того, какими мы видим события, как выглядят объекты в различных системах отсчета. Будем иметь дело с инерциальными системами отсчета. Учтем, что система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета, также инерциальна.

Галилей и Ньютон сознавали то, что мы называем принципом относительности, согласно которому основные законы физики должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Относительность Галилея-Ньютона исходит из некоторых не поддающихся проверке допущений, которые опираются на повседневный опыт. Предполагается, что длина тела одинакова в любой системе отсчета и что время в различных системах отсчета течет одинаково. В классической механике пространство и время считаются абсолютными: результаты пространственных и временных измерений не изменяются при переходе из одной системы отсчета в другую.

Предполагается, что масса тела, а также все силы остаются неизменными при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Поскольку при переходе из одной инерциальной системы в другую величины F, m и a не изменяются, остается неизменным и второй закон Ньютона: F = mа. Из того, что законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, следует важный вывод: ни одна инерциальная система отсчета не выделяется по сравнению с любой другой инерциальной системой. Поэтому все инерциальные системы координат эквивалентны с точки зрения описания механических явлений. Не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы установить, какая система отсчета "действительно" покоится, а какая движется. Следовательно, не существует способа выделить систему отсчета, которая находилась бы в состоянии абсолютного покоя.

Во второй половине XIX в. Максвелл показал, что свет можно рассматривать как электромагнитную волну. Уравнения Максвелла позволили предсказать, что скорость света с равна 3,00 • 10⁸ м/с, и это предсказание совпадает с измеренным значением в пределах ошибки эксперимента. При этом возникают вопросы: в какой системе отсчета скорость света имеет значение, предсказанное теорией Максвелла? Если исходить из механических представлений, в которых волна рассматривается как распространение колебаний в среде, то и свет также распространяется в какой-то среде. Эту среду назвали эфиром и предположили, что он заполняет все пространство. Тем самым физики XIX в. выдвинули гипотезу, что предсказываемое уравнениями Максвелла значение скорости света достигается в системе, связанной с эфиром. Эту систему отсчета и принято было считать абсолютной.

Физики принялись определять скорость Земли относительно этой абсолютной системы отсчета. Самое прямое измерение скорости Земли относительно гипотетического эфира было проведено А. Майкельсоном (1852-1931) и Э. В. Морли.