Постулаты специальной теории относительности¶
Постулаты специальной теории относительности — два исходных утверждения, положенные Альбертом Эйнштейном в основу специальной теории относительности (СТО) в работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел». Они не выводятся из других положений физики, а принимаются как исходные допущения, из которых логически вытекают все остальные результаты теории: относительность одновременности, замедление времени, сокращение длины, релятивистский закон сложения скоростей, связь массы и энергии.
¶Формулировка постулатов
¶Принцип относительности
Первый постулат утверждает: все законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Никакими физическими экспериментами внутри замкнутой системы невозможно установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.
Это обобщение принципа относительности Галилея, который формулировался только для механических явлений. Эйнштейн распространил его на электродинамику, оптику и любые другие разделы физики. Из первого постулата следует, что понятие абсолютного покоя лишено физического смысла: имеет смысл говорить лишь об относительном движении тел.
¶Принцип постоянства скорости света
Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит от скорости источника и приёмника света. Эта величина обозначается латинской буквой c и приблизительно равна 299 792 458 м/с (обычно округляется до 300 000 км/с).
Постулат противоречит классическому правилу сложения скоростей: если источник света движется навстречу наблюдателю, скорость света не складывается со скоростью источника. Именно это положение потребовало пересмотра представлений о пространстве и времени.
¶Предпосылки возникновения
К концу XIX века физика столкнулась с противоречием между механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Уравнения Максвелла предсказывали скорость света, но не указывали, относительно какой системы отсчёта её измерять. Для объяснения вводился «мировой эфир» — гипотетическая среда, в которой распространяются электромагнитные волны.
Опыт Майкельсона — Морли (1881, 1887) не обнаружил движения Земли относительно эфира. Попытки спасти эфирную теорию предпринимали Хендрик Лоренц и Джордж Фицджеральд, предложившие сокращение длины движущихся тел. Анри Пуанкаре сформулировал принцип относительности в близком к эйнштейновскому виде. Эйнштейн пошёл дальше: он отказался от эфира и вывел преобразования Лоренца из двух постулатов, не привлекая представлений о среде.
¶Следствия
Из двух постулатов вытекает ряд необычных для классической физики результатов.
| Явление | Суть |
|---|---|
| Относительность одновременности | События, одновременные в одной системе отсчёта, могут быть неодновременными в другой |
| Замедление времени | Движущиеся часы идут медленнее покоящихся: Δt = Δt₀ / √(1 − v²/c²) |
| Сокращение длины | Размер тела вдоль направления движения уменьшается |
| Релятивистский импульс | Импульс растёт быстрее, чем по формуле p = mv |
| Эквивалентность массы и энергии | E = mc² |
Преобразования Лоренца, связывающие координаты и время в двух системах отсчёта, переходят в преобразования Галилея при скоростях, много меньших скорости света. Поэтому классическая механика остаётся справедливой как предельный случай.
¶Значение и проверка
Постулаты СТО проверены экспериментально с высокой точностью. Замедление времени подтверждается распадом нестабильных частиц в космических лучах и в ускорителях, а также работой спутниковых навигационных систем. Релятивистские поправки учитываются в системах GPS и ГЛОНАСС: без них погрешность определения координат росла бы на километры в сутки.
В России теория относительности вошла в университетские курсы в 1920-е годы; значительный вклад в её популяризацию и преподавание внесли физики Яков Френкель, Лев Ландау, Владимир Фок. Фок предложил строгую аксиоматику СТО и уточнил формулировки преобразований Лоренца.
¶Общая теория относительности
В 1915 году Эйнштейн обобщил СТО на неинерциальные системы отсчёта, создав общую теорию относительности (ОТО). В ОТО принцип относительности распространяется на любые системы отсчёта, а гравитация описывается как искривление пространства-времени. Постулат о постоянстве скорости света сохраняется локально — в достаточно малых областях пространства-времени.
¶Критика и дискуссии
Отдельные положения СТО вызывали философские возражения, однако экспериментальных данных, противоречащих теории, не получено. Попытки построить альтернативные теории с переменной скоростью света или выделенной системой отсчёта не подтверждаются наблюдениями. В научной среде постулаты СТО рассматриваются как надёжно обоснованная основа современной физики.
Источники: Эйнштейн А. «К электродинамике движущихся тел»; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теория поля»; Фок В. А. «Теория пространства, времени и тяготения»; учебные курсы общей физики.