Конспект урока: Элементы теории относительности. Постулаты специальной теории относительности. Относительность одновременности событий. Замедление времени и сокращение длины

Эксперимент по определению скорости «эфирного ветра»

В 1864 г. Максвелл опубликовал работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой предсказал возникновение электромагнитных волн и рассчитал скорость их распространения в вакууме. После этого учёными была предпринята попытка провести аналогию между процессами распространения электромагнитных волн в вакууме и механических волн в среде.

Известно, что скорость волны в системе отсчёта, движущейся поступательно относительно среды со скоростью $\overrightarrow{V}$ в направлении распространения волны, будет равна ${\overrightarrow{v}}_0-\overrightarrow{V}$, где $v_0$ — скорость волны. Логично предположить, что и скорость электромагнитной волны должна зависеть от выбранной системы отсчёта. Но, в отличие от механических, электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме, где нет никакой среды.

Была выдвинута гипотеза о существовании некоего «эфира» — всепроникающей среды, абсолютной системы отсчёта, в которой распространяется электромагнитная волна со скоростью, не зависящей от направления движения. По аналогии с движением в воздухе, при котором возникает ветер, предполагалось, что при движении относительно «эфира» возникает «эфирный ветер» и, следовательно, измеряя скорость света, можно определить скорость «эфирного ветра».

Эксперимент был поставлен американскими учёными Альбертом Майкельсоном (1852–1931) и Эдвардом Морли (1838–1923) в 1881 г. Известно, что модуль скорости движения Земли вокруг Солнца равен примерно 30 км/с. В проведённом эксперименте сравнивались скорости света в направлении, совпадающем с направлением движения земли, и в направлении, перпендикулярном ему. Эксперименты проводились с помощью высокочувствительной интерференционной установки и многократно повторялись в разные времена года. Многократно проверенные результаты не позволили обнаружить «эфирный ветер», т. е. движение земли относительно «эфира». Для объяснения отрицательного результата была выдвинута гипотеза, что движущиеся объекты увлекают «эфир», в котором распространяется свет. Однако последующие эксперименты опровергли и эту гипотезу.

Полученный результат озадачил учёных. Он противоречит классическому закону сложения скоростей. Поэтому его невозможно объяснить, не отказавшись от классических представлений о пространстве и времени.

Постулаты Эйнштейна

В 1905 г. Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой сформулировал основные положения разработанной им теории — специальной теории относительности (СТО). В этой теории коренным образом пересматривались существовавшие представления о пространстве и времени.
 

В основе СТО лежат два постулата.

Первый постулат означает, что все ИСО равнозначны и во всех ИСО законы физики имеют одинаковую форму. Никакого покоящегося «эфира» не существует.
 

Первый постулат распространяется на все явления природы, поэтому первый закон Ньютона, постулирующий ИСО, имеет важнейшее значение не только для механики, но и для всех разделов физики. Первый постулат СТО часто называют принципом относительности Эйнштейна.

Согласно второму постулату, скорость света занимает особое положение. Рассмотрим пример. Пусть из массивной пушки, движущейся со скоростью $\overrightarrow{V}$ относительно связанной с Землёй лабораторной ИСО, вылетает снаряд со скоростью ${\overrightarrow{v}}_0$ относительно пушки. Тогда скорость снаряда относительно лабораторной ИСО будет равна ${\overrightarrow{v}}_0+\overrightarrow{V}$. Это явление называют баллистическим эффектом.
 

Теперь рассмотрим движущийся со скоростью $\overrightarrow{V_{\mathrm{и}}}$ относительно лабораторной ИСО источник света — фонарик в руках идущего человека. Пусть луч света от фонарика направлен в сторону приёмника света — человека, который движется навстречу. Согласно второму постулату СТО, скорость света одинакова во всех 
ИСО — и в лабораторной, и в связанной с источником. Таким образом:

1. Скорость света относительно лабораторной ИСО не зависит от скорости движения источника света в этой ИСО. Следовательно, баллистический эффект для света не имеет места.
 

2. Скорость света относительно источника (приёмника) не зависит от скорости движения этого источника (приёмника) в лабораторной ИСО.

Одним из самых удивительных следствий постулатов СТО является то, что скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи любых видов взаимодействий. Из этого, в свою очередь, следует, что скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью движения любого материального объекта.
 

СТО называют релятивистской механикой.