Постулаты специальной теории относительности

Изучение темы «Элементы теории относительности» рекомендуют начинать с повторения того материала об относительности, который знаком учащимся, а именно: некоторые физические величины, характеризующие механическое движение и электромагнитное взаимодействие (координата, скорость, перемещение, импульс тела, кинетическая энергия, работа, индукция электромагнитного поля и т. д.), относительны, т. е. зависят от выбора системы отсчета, а другие (ускорение, заряд и т. д.) — инвариантны, т. е. не зависят от выбора системы отсчета; все законы механики справедливы относительно инерциальных систем отсчета и никаким механическим опытом, проводимым в данной системе отсчета, нельзя обнаружить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится (принцип относительности Галилея). В классах с сильным составом учащихся в этом месте курса знакомят с преобразованиями Галилея и на их основе математически доказывают, что в механике Ньютона инвариантными являются длина отрезка, относительная скорость двух тел и время. В более слабых классах на инвариантность длины отрезка и времени надо просто указать как на некоторые принятые в механике изначальные положения (аксиомы).

Принцип относительности должен выполняться и для электромагнитных явлений: Но другие опытные факты с той же неумолимостью свидетельствовали, что скорость света с не зависит от скорости источника и имеет одно и то же значение во всех инерциальных системах отсчета, а это входит в явное противоречие с классическим законом сложения скоростей-одним из основных следствий принципа относительности Галилея.

Эту трудность решил А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Опираясь на оба вышеупомянутых факта, он доказал, что их противоречие между собой можно снять, но для этого нужно пересмотреть сложившиеся классические представления о существовании абсолютного пространства, абсолютных (не зависящих от систем отсчета) размеров тела и об абсолютном, не связанном с системами отсчета, течении времени.

В учебной литературе встречаются различные формулировки принципа относительности Эйнштейна. Наиболее распространены три:

• 1) Все инерциальные системы отсчета равноправны; во всех инерциальных системах не только механические, но и все другие явления природы протекают одинаково (обобщенный принцип относительности Эйнштейна).
• 2) Никаким физическим опытом, проводимым в инерциальной системе отсчета, нельзя установить, движется эта система или находится в покое.
• 3) Все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Хотя все эти формулировки эквивалентны, наилучшей является третья, ибо она лучше отражает суть дела. Ведь протекание явления определяется не только действующими законами, но и начальными условиями. С этим учащиеся уже знакомы из механики. Например, свободно падающее тело относительно Земли описывает прямую линию, а относительно равномерно движущегося вагонапараболу. Соответствующий пример можно привести и из области электродинамики. Два одноименных покоящихся заряда в системе отсчета К отталкиваются друг от друга с силой, а в системе отсчета К', движущейся со скоростью V относительно системы К, эти заряды движутся, поэтому между ними наблюдают не только кулоновское отталкивание, но и электромагнитное притяжение. Таким образом, инвариантными оказываются не явления, а законы природы. Во всех инерциальных системах отсчета покоящиеся заряды взаимодействуют с силами, определяемыми законом Кулона, движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле и подвергаются действию магнитных полей и т. д. Иначе говоря, все законы природы во всех инерциальных системах отсчета одинаковы.

Лучшей формулировкой второго принципа СТО, на наш взгляд, является следующая: скорость света с (в вакууме) одинакова во всех инерциальных системах отсчета и равна (2,997 925±0,10)*108 м/с.

Иначе говоря, скорость света не зависит от того, измеряется она в покоящейся относительно источника системе отсчета или в системе, движущейся с постоянной скоростью относительно нее.

В качестве опытного обоснования второго постулата целесообразно рассмотреть движение двойных звезд. Скорость их орбитального движения вокруг общего центра масс часто превышает 30 км/с, поэтому влияние ее на скорость света (если бы такая зависимость существовала) легко можно было бы обнаружить. Действительно, допустим, что скорость света с зависит от скорости источника. Тогда свет от звезды, А движется к нам со скоростью c+х, а от звезды B со скоростью c-х. При наличии в классе достаточного числа калькуляторов можно предложить ребятам следующее задание: Сколько суток идет свет от двойных звезд до Земли, если они находятся от нас на расстоянии 100 световых лет, при условии, что скорость света не зависит от скорости источника? Решение. Подставляя числовые значения в формулу, получим: t= 36 500 сут.

Принцип постоянства скорости света школьники иногда смешивают с предельностью скорости света. Против этой ошибки их надо предостеречь. Второй постулат теории не утверждает, что скорость света — наибольшая скорость передачи сигнала. Это утверждение является следствием самой теории.