Отже, рівняння руху класичної механіки (другий закон Ньютона) не змінює свого виду при переході від однієї інерціальної системи до іншої.
Виняткову роль у розвитку уявлень про простір і час відіграла теорія Максвелла. До початку XX століття ця теорія стала загальновизнаною. Передбачені теорією Максвелла електромагнітні хвилі, що поширюються з кінцевою швидкістю, вже знайшли практичне застосування - в 1895 році А. С. Поповим було винайдено радіо. Але з теорії Максвелла випливає, що швидкість поширення електромагнітних хвиль в будь-якій інерційній системі відліку має одне і те ж значення, що дорівнює швидкості світла у вакуумі. Це означає, що рівняння, що описують поширення електромагнітних хвиль, які не інваріантні відносно перетворень Галілея. Якщо електромагнітна хвиля (зокрема, світло) поширюється в системі відліку K '(рис. 4.1.1) в позитивному напрямку осі x'. то в системі K світло повинне, згідно галилеевской кінематики поширюватися зі швидкістю c + # 965 ;, а не c.
Отже, на рубежі XIX і XX століть фізика переживала глибоку кризу. Вихід був знайдений Ейнштейном ціною відмови від класичних уявлень про простір і час. Найбільш важливим кроком на цьому шляху став перегляд використовуваного в класичній фізиці поняття абсолютного часу. Класичні уявлення, що здаються наочними і очевидними, в дійсності виявилися неспроможними. Багато понять і величини, які в нерелятивистской фізики вважалися абсолютними, т. Е. Не залежними від системи відліку, в ейнштейнівської теорії відносності переведені в розряд відносних.
Так як всі фізичні явища відбуваються в просторі і в часі, нова концепція просторово-часових закономірностей не могла залишити поза увагою в результаті всю фізику.
В основі спеціальної теорії відносності лежать два принципи або постулату, сформульовані Ейнштейном в 1905 р
- Принцип відносності. всі закони природи інваріантні по відношенню до переходу від однієї системи відліку до іншої. Це означає, що у всіх інерційних системах фізичні закони (не тільки механічні) мають однакову форму. Таким чином, принцип відносності класичної механіки узагальнюється на всі процеси природи, в тому числі і на електромагнітні. Цей узагальнений принцип називають принципом відносності Ейнштейна.
- Принцип постійності швидкості світла. швидкість світла у вакуумі не залежить від швидкості руху джерела світла спостерігача й однакова у всіх інерціальних системах відліку. Швидкість світла в СТО займає особливе положення. Це гранична швидкість передачі взаємодій і сигналів з однієї точки простору в іншу.
Ці принципи слід розглядати як узагальнення всієї сукупності дослідних фактів. Наслідки з теорії, створеної на основі цих принципів, підтверджувалися нескінченними досвідченими перевірками. СТО дозволила вирішити всі проблеми «доейнштейновской» фізики і пояснити «суперечливі» результати відомих на той час експериментів в області електродинаміки і оптики. У наступні часи СТО була підкріплена експериментальними даними, отриманими при вивченні руху швидких частинок в прискорювачах, атомних процесів, ядерних реакцій і т. П.
Постулати СТО знаходяться в явному протиріччі з класичними уявленнями. Розглянемо такий уявний експеримент: в момент часу t = 0, коли координатні осі двох інерційних систем K та K 'збігаються, в загальному початку координат сталася короткочасна спалах світла. За час t системи змістяться відносно один одного на відстань # 965; t. а сферичний хвильовий фронт в кожній системі буде мати радіус ct (рис. 4.1.3), так як системи рівноправні і в кожній з них швидкість світла дорівнює c.
Малюнок 4.1.3. Позірна суперечність постулатів СТО
З точки зору спостерігача в системі K центр сфери знаходиться в точці O. а з точки зору спостерігача в системі K 'він буде перебувати в точці O'. Отже, центр сферичного фронту одночасно знаходиться в двох різних точках!
Причина виникає непорозуміння лежить не в протиріччі між двома принципами СТО, а в допущенні, що положення фронтів сферичних хвиль для обох систем відноситься до одного і того ж моменту часу. Це припущення укладено в формулах перетворення Галілея, згідно з якими час в обох системах тече однаково: t = t '. Отже, постулати Ейнштейна знаходяться в протиріччі не друг з одним, а з формулами перетворення Галілея. Тому на зміну галілєєвих перетворень СТО запропонувала інші формули перетворення при переході з однієї інерціальної системи до іншої - так називаемиепреобразованія Лоренца, які при швидкостях руху, близьких до швидкості світла, дозволяють пояснити все по релятивістському ефекти, а при малих швидкостях (# 965; < Відносність проміжків часу Для того щоб в обраній системі відліку виконувати вимірювання проміжку часу між двома подіями (наприклад, початком і кінцем будь-якого процесу), що відбуваються в одній і тій же точці простору. досить мати еталонні годинник. Найбільшою точністю в даний час володіють годинник, засновані на використанні власних коливань молекул аміаку (молекулярні годинник) або атомів цезію (атомний годинник). Вимірювання проміжку часу спирається на поняття одночасності. тривалість якого-небудь процесу визначається шляхом порівняння з проміжком часу, що відокремлює показання годин, одночасне з кінцем процесу. від показання тих же годин, одночасного з початком процесу. Якщо ж обидві події відбуваються в різних точках системи відліку, то для вимірювання проміжків часу між ними в цих точках необхідно мати синхронізувати годинник. Ейнштейнівське визначення процедури синхронізації годин засноване на незалежності швидкості світла в порожнечі від напрямку поширення. Нехай з точки A в момент часу t1 по годинах A відправляється короткий світловий імпульс (рис. 4.2.1). Нехай час приходу імпульсу в B і відображення його назад на годиннику B є t '. Нарешті, нехай відбитий сигнал повертається в A в момент t2 по годинах A. Тоді за визначенням годинник в A і B йдуть синхронно, якщо t '= (t1 + t2) / 2. Малюнок 4.2.1. Синхронізація годин в СТО Існування єдиного світового часу, що не залежить від системи відліку, яке приймалося як очевидний факт в класичній фізиці, еквівалентно неявному допущенню про можливість синхронізації годин за допомогою сигналу, що поширюється з нескінченно великою швидкістю. Отже, в різних точках обраної системи відліку можна розташувати синхронізувати годинник. Тепер можна дати визначення поняття одночасності подій, що відбуваються в просторово-роз'єднаних точках: ці події одночасні, якщо синхронізувати годинник показують однаковий час. Розглянемо тепер другу інерційну систему K '. яка рухається з деякою швидкістю # 965; в позитивному напрямку осі x системи K. У різних точках цієї нової системи відліку також можна розташувати годинник і синхронізувати їх між собою, використовуючи описану вище процедуру. Тепер інтервал часу між двома подіями можна вимірювати як по годинах в системі K. так і по годинах в системі K '. Чи будуть ці інтервали однакові? Відповідь на це питання має перебувати в злагоді з постулатами СТО. Нехай обидві події в системі K 'відбуваються в одній і тій же точці і проміжок часу між ними дорівнює # 964; 0 по годинах системи K '. Цей проміжок часу називається власним часом. Яким буде проміжок часу між цими ж подіями, якщо його виміряти по годинах системи K? Для відповіді на це питання розглянемо наступний уявний експеримент. На одному кінці твердого стрижня деякої довжини l розташована імпульсна лампа B. а на іншому кінці - дзеркало, що відображає M. Стрижень розташований, нерухомо в системі K 'і орієнтований паралельно осі y' (рис. 4.2.2). Подія 1 - спалах лампи, подія 2 - повернення короткого світлового імпульсу до лампи. Малюнок 4.2.2. Відносність проміжків часу. Моменти наступів подій в сістемеK 'фіксуються по одним і тим же годинах C. а в системі K - по двом синхронізувати просторово-рознесених годинах C1 і C2. Система K 'рухається зі швидкістю # 965; в позитивному напрямку осі x системи K В системі K 'обидва розглянутих події відбуваються в одній і тій же точці. Проміжок часу між ними (власний час) дорівнює # 964; = 2l / c. З точки зору спостерігача, що знаходиться в системі K. світловий імпульс рухається між дзеркалами зигзагоподібно і проходить шлях 2L. рівний де # 964; - проміжок часу між відправленням світлового імпульсу і його поверненням, виміряний по синхронізувати годинах C1 і C2. розташованими в різних точках системи K. Але згідно з другим постулату СТО, світловий імпульс рухався в системі K з тією ж швидкістю c. що і в системі K '. отже, # 964; = 2L / c. З цих співвідношень можна знайти зв'язок між # 964; і # 964; 0: Таким чином, проміжок часу між двома подіями залежить від системи відліку, т. Е. Є відносним. власний час # 964; 0 завжди менше, ніж проміжок часу між цими ж подіями, виміряний в будь-який інший системі відліку. Цей ефект називають релятивістським уповільненням часу. Уповільнення часу є наслідком інваріантності швидкості світла. Ефект уповільнення часу є взаємним, в згоді з постулатом про рівноправність інерційних систем K та K '. для будь-якого спостерігача в K або K 'повільніше йдуть годинник, пов'язані з системою, що рухається по відношенню до спостерігача. Цей висновок СТО знаходить безпосереднє дослідне підтвердження. Наприклад, при дослідженні космічних променів в їх складі виявлені # 956; -мезони - елементарні частинки з масою, приблизно в 200 разів перевищує масу електрона. Ці частинки нестабільні, їх середнє власний час життя одно # 964; 0 = 2,2 · 10 -6 с. Але в космічних променях # 956; -мезони рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Без урахування релятивистского ефекту уповільнення часу вони в середньому пролітали б в атмосфері шлях, рівний c # 964; 0 ≈ 660 м. Насправді, як показує досвід, мезони за час життя встигають пролітати без розпаду набагато більші відстані. Згідно СТО, середній час життя мезонів по годинах земного спостерігача одно. так як # 946; = # 965; / C близьке до одиниці. Тому середній шлях # 965; # 964 ;, прохідний мезоном в земній системі відліку, виявляється значно більше 660 м. З релятивістським ефектом уповільнення часу пов'язаний так званий «парадокс близнюків». Передбачається, що один з близнюків залишається на Землі, а другий відправляється в тривалу космічну подорож з субсветовой швидкістю. З точки зору земного спостерігача, час у космічному кораблі тече повільніше, і коли астронавт повернеться на Землю, він виявиться набагато молодше свого брата-близнюка, що залишився на Землі. Парадокс полягає в тому, що подібний висновок може зробити і другий з близнят, що відправляється в космічну подорож. Для нього повільніше плине час на Землі, і він може очікувати, що по поверненню після тривалої подорожі на Землю він виявить, що його брат-близнюк, який залишився на Землі, набагато молодша за нього. Щоб дозволити «парадокс близнюків», слід взяти до уваги нерівноправність систем відліку, в яких знаходяться обидва брата-близнюка. Перший з них, що залишився на Землі, весь час знаходиться в інерціальній системі відліку, тоді як система відліку, пов'язана з космічним кораблем, принципово неінерційній. Космічний корабель зазнає прискорення при розгоні під час старту, при зміні напрямку руху в далекій точці траєкторії і при гальмуванні перед посадкою на Землю. Тому висновок брата-астронавта невірно. СТО пророкує, що при поверненні на Землю він дійсно виявиться молодше свого брата, що залишився на Землі. Ефекти уповільнення часу нехтує малі, якщо швидкість космічного корабля набагато менше швидкості світла c. Проте, вдалося отримати пряме підтвердження цього ефекту в експериментах з макроскопічними годинами. Найбільш точний годинник - атомні працюють на пучку атомів цезію. Цей годинник «цокає» 9192631770 раз в секунду. Американські фізики в 1971 році провели порівняння двох таких годин, причому одні з них знаходилися в польоті навколо Землі на звичайному реактивному лайнері, а інші залишалися на Землі в військово-морської обсерваторії США. Відповідно до прогнозів СТО, які подорожують на лайнерах годинник повинні були відстати від знаходяться на Землі годин на (184 ± 23) · 10 -9 с. Спостережуване відставання склало (203 ± 10) · 10 -9 с, т. Е. В межах помилок вимірів. Через кілька років експеримент був повторений і дав результат, узгоджується зі СТО з точністю 1%. В даний час вже необхідно брати до уваги релятивістський ефект уповільнення ходу годинника при транспортуванні атомного годинника на великі відстані. Модель. Відносність проміжків часуСхожі статті