Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 30. Основні положення спеціальної теорії відносності

Рух будь-якого тіла відносний: його положення, швидкість, вид траєкторії залежать від того, відносно якої системи відліку (тіла відліку) цей рух розглядається. Щоб описати рух тіла, зручно вибирати інерціальну систему відліку (ІСВ), оскільки в цій системі відліку зміна швидкості тіла зумовлена лише дією на нього інших тіл.

Інерціальними системами відліку називають такі системи відліку, у яких виконується перший закон Ньютона. Уперше твердження про рівноправність усіх інерціальних систем відліку висловив Галілей, тому його називають принципом відносності Галілея (або принципом відносності класичної фізики): в усіх інерціальних системах відліку за однакових початкових умов усі механічні явища протікають однаково.

Із цього принципу випливає, що не існує якоїсь виділеної системи відліку, яку можна було б назвати «такою, що перебуває в стані спокою», усі ІСВ цілком рівноправні. А це означає, що швидкість будь-якого тіла є відносною: її можна визначити лише відносно певного тіла.

Принцип відносності класичної фізики правильно описує звичайні механічні явища, але виникає запитання: чи можна поширити принцип відносності на всі фізичні явища, не обмежуючись лише механічними? Чи можна, наприклад, поширити його й на електромагнітні явища?

Здавалося б, що на це запитання можна дати ствердну відповідь, тому що взаємодії електричних зарядів і електричних струмів у різних інерціальних системах відліку є однаковими. Однак тут виникла проблема з поширенням світла. Як відомо, світло є електромагнітною хвилею (це вперше теоретично довів англійський фізик Дж. Максвелл). Німецький фізик Г. Герц підтвердив цей факт дослідним шляхом. Але, відповідно до теорії Максвелла, швидкість поширення світла в усіх ІСВ має бути тією самою, тобто не відносною, як швидкості звичайних тіл, а абсолютною. Але, відповідно до ньютонівської механіки, швидкість може дорівнювати с тільки у вибраній системі відліку. У будь-якій іншій, яка рухається зі швидкістю v, швидкість поширення світла має дорівнювати с - v. А це означає, що при переході з однієї до іншої ІСВ закони електродинаміки мають змінюватися так, щоб у новій системі відліку швидкість світла була уже не с, а с - v.

Суперечності, які виникли між теоріями, намагалися подолати так: 1) оголосити недоречним принцип відносності стосовно електромагнітних явищ; 2) оголосити неправильними рівняння Максвелла й змінити їх так, щоб вони не змінювалися при переході з однієї до іншої ІСВ; 3) відмовитися від класичних уявлень про простір і час для того, щоб зберегти як принцип відносності, так і закони Максвелла. Перші два шляхи, як виявилось, суперечили експерименту. Єдиним правильним виявився третій шлях. Усі суперечності блискуче розв’язав 26-річний Альберт Ейнштейн, який видав невелику, всього на 30 сторінок, роботу під назвою «До електродинаміки рухомих середовищ». І вона за короткий термін спричинила справжню революцію у фізиці та збагатила ідеями, практична значущість яких — безмежна. У ній Ейнштейн без жодного нового експерименту, проаналізувавши й узагальнивши уже відомі дослідні факти, уперше виклав ідею теорії відносності.

Американські фізики А. Майкельсон і Е. Морлі наприкінці ХІХ ст. вирішили порівняти швидкість світла, що поширюється за напрямком руху Землі її орбітою і в протилежному напрямку. Досліди, які провели вчені, переконливо довели, що світло у вакуумі поширюється завжди з однією й тією самою швидкістю (близькою до 300 000 км/с).

Щоб правильно пояснити досліди Майкельсона й Морлі, потрібно було відмовитися від звичних уявлень про простір і час. Виникла суперечність, розв’язати яку на початку XX ст. намагалося багато видатних фізиків. Але зробити це вдалося скромному службовцеві патентного бюро у швейцарському місті Берн Альберту Ейнштейну.

Теорія відносності — це фізична теорія, яка описує властивості простору й часу, а також закономірності відносного руху тіл, зумовленого цими властивостями.

Альберт Ейнштейн стверджував, що законом природи є цілковита рівноправність усіх інерціальних систем відліку щодо не лише механічних, але й електромагнітних процесів. Немає жодних відмінностей між станом спокою й рівномірного прямолінійного руху. Він узяв дослідно установлені факти як основні положення теорії, названої згодом спеціальною теорією відносності.

Ці положення називають постулатами теорії відносності:

  • 1. Принцип відносності Ейнштейна: усі явища природи (фізичні, хімічні, біологічні) протікають однаково в усіх інерціальних системах відліку.
  • 2. Принцип сталості швидкості світла: швидкість поширення світла у вакуумі однакова в усіх інерціальних системах відліку.

Аналізуючи перший постулат, ми бачимо, що Ейнштейн розширив рамки принципу відносності Галілея, застосувавши його до будь-яких фізичних явищ, у тому числі й електромагнітних. Аналізуючи другий постулат, можна стверджувати, що швидкість поширення світла не залежить від руху джерела світла й від приймача. Жоден матеріальний об’єкт не може рухатись зі швидкістю, більшою від швидкості світла у вакуумі. Але другий постулат суперечить першому, якщо поширити на електромагнітні явища не тільки принцип відносності Галілея, але й галілеєве правило додавання швидкостей, що випливає з правила перетворення координат. Тобто перетворення Галілея для координат і часу, а також його правило додавання швидкостей до електромагнітних явищ застосовувати не можна.

Головний внесок Ейнштейна в пізнання законів природи полягав навіть не у відкритті нових формул, а в радикальній зміні основних фундаментальних уявлень про простір, час, речовину та рух.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що у фізиці розуміють під системою відліку?
  • 2. Які системи відліку називають інерціальними? Наведіть приклади.
  • 3. Скільки існує інерціальних систем відліку?
  • 4. У чому полягають відмінності принципу відносності Галілея та принципу відносності Ейнштейна?
  • 5. Чи можна стверджувати, що фізичні процеси та явища, які коли-небудь іще відкриють, підпорядковуватимуться принципу відносності?
  • 6. Які причини привели до створення теорії відносності?
  • 7. У чому відмінність першого постулату теорії відносності від принципу відносності в механіці?