E-Book Content
Глава IV. Теория относительности IV.1 Принцип относительности Галилея и опыт Бертоцци. Специальная теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 году, по своему основному содержанию может быть названа физическим учением о пространстве и времени. Физическим потому, что свойства пространства и времени в этой теории рассматриваются в теснейшей связи с законами совершающихся в них физических явлений. Термин «специальная» подчеркивает то обстоятельство, что эта теория рассматривает явления только в инерциальных системах отсчета. Прежде чем перейти к ее изложению, сформулируем основные принципы ньютоновской механики: 1) Пространство имеет 3 измерения; справедлива евклидова геометрия. 2) Время существует независимо от пространства в том смысле, в котором независимы три пространственных измерения. 3) Промежутки времени и размеры тел не зависят от системы отсчета 4) Признается справедливость закона инерции Ньютона - Галилея ( I закон Ньютона ) 5) При переходе от одной ИСО к другой справедливы преобразования Галилея для координат, скоростей и времени. 6) Выполняется принцип относительности Галилея: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении механических явлений. 7) Соблюдается принцип дальнодействия: взаимодействия тел распространяются мгновенно, то есть с бесконечной скоростью. Эти представления ньютоновской механики вполне соответствовали всей совокупности экспериментальных данных, имевшихся в то время. Со временем исследованию подверглись такие явления и процессы, при которых относительные скорости движения тел были велики ( сравнимы со скоростью распространения света в вакууме ). И тогда оказалось, что в ряде случаев механика Ньютона не работала. Первым подвергся проверке закон сложения скоростей. Принцип относительности Галилея утверждал, что все ИСО эквивалентны по своим механическим свойствам. Но их, наверное, можно отличить по электромагнитным или каким-либо другим свойствам. Например, можно заняться экспериментами по распространению света. В соответствии с существовавшей в то время волновой теории существовала некая абсолютная система отсчета( так называемый «эфир»), в которой скорость света была равна с. Во всех остальных системах скорость света должна была подчиняться закону с’ = c - V. Это предположение взялись проверить сначала Майкельсон, а затем и Морли. Целью эксперимента являлось обнаружение « истинного » движения Земли относительно эфира. Было использовано движение Земли по орбите со скоростью 30 км в секунду. Идея эксперимента состояла в следующем. Свет от В источника S посылался в двух взаимно V перпендикулярных направлениях, отражался V от зеркал А и В, находящихся на одинаковом расстоянии L от источника S, и возвращался ’ c c c-V в точку S. Сравнивалось время прохождения светом путей SAS и SBS. Допустим, что вся S c+V A
установка в момент эксперимента движется со скоростью V в указанном направлении. Если скорость света подчиняется обычному закону сложения скоростей, то время прохождения пути SAS равно 2L 1 L L t ΙΙ = + = c−V c+V c V2 1− 2 c тогда как время прохождения пути SBS равно
t⊥ =
2L c2 − V 2
=
2L c
1 1−
V2 с2
Исходя из этих результатов, ученые ожидали получить разницу во времени. Однако, как ни увеличивали они точность экспериментов, разницы во временах зафиксировать не удалось. Конечно, случайно могло оказаться, что относительная скорость Земли относительно эфира была в этот момент равна нулю, но эксперимент, проведенный через полгода, когда скорость Земли должна была быть 60 км/с, тоже ничего не дал. Еще более наглядно продемонстрировал ограниченность области применения классической механики эксперимент, проведенный в 1964 году Бертоцци. Ему удалось в одном эксперименте независимо измерить скорость и кинетическую энергию электронов. Электроны ускорялись в ускорителе Ван-де-Граафа, а затем двигались равномерно расстояние АВ, которо