Специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства и времени. В СТО, как и в классической механике, предполагается, что время однородно (инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени), а пространство однородно и изотропно (симметрично). Специальная теория относительности называется также релятивистской теорией, а явления, описываемые этой теорией – релятивистскими эффектами.
Постулаты А. Эйнштейна:
1) принципа относительности,
2) принципа постоянства скорости света.
Первый постулат является обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы. В нем утверждается, что законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояние покоя или движения определяется здесь относительно произвольно выбранной инерциальной системы отсчета; физически эти состояния равноправны.
Второй постулат утверждает: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Анализ явлений в инерциальных системах отсчета, проведенный А. Эйнштейном на базе сформулированных им постулатов, показал, что преобразования Галилея несовместимы с ними и, следовательно, должны быть заменены преобразованиями, удовлетворяющими постулатам СТО.
|
Рассмотрим две инерциальные системы отсчета: К (с координатами x, y, z) и К' (с координатами x', y', z'), движущуюся относительно К вдоль оси x со скоростью v = const. Пусть в начальный момент времени (t = t' = 0), когда начала систем координат совпадают (0 = 0'), излучается световой импульс. Согласно второму постулату Эйнштейна скорость света в обеих системах одна и та же и равна с. Поэтому если за время t в системе К сигнал дойдет до некоторой точки A, пройдя расстояние
(6)
то в системе K' координата светового импульса в момент достижения точки A будет равна
(7)
где t' - время прохождения светового импульса от начала координат до точки A в системе K'. Вычитая (7) из (6), получим:
Так как x ≠ x' (система K' перемещается относительно K), то получается, что t ≠ t', т.е. отсчет времени в системах K' и K различен или имеет относительный характер (в классической механике считается, что время во всех инерциальных системах отсчета протекает одинаково, т.е. t = t').
А. Эйнштейн показал, что в СТО классические преобразования Галилея при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой заменяются преобразованиями Лоренца, удовлетворяющими первому и второму постулатам (табл. 1).
Таблица 5.1
Из преобразований Лоренца вытекает:
1) при малых скоростях (по сравнению со скоростью света) они переходят в преобразования Галилея.
2) При v > c выражения для x, t, x' и t' теряют физический смысл, т.е. движение со скоростью, большей скорости света в вакууме, невозможно.
3) Из таблицы 1 следует, что как пространственные, так и временные преобразования Лоренца не являются независимыми: в закон преобразования координат входит время, а в закон преобразования времени - пространственные координаты, т.е. устанавливается взаимосвязь пространства и времени. Таким образом, релятивистская теория Эйнштейна оперирует не трехмерным пространством, к которому присоединяется понятие времени, а рассматривает неразрывно связанные пространственные и временные координаты, образующие четырехмерное пространство-время.