1611143554-2751c415c5775cb40b07ebcab0fe74f2 (825015), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Если скорость света подчиняется обычному закону сложения скоростей (6.2), то на пути 5А скорость света относительно установки (Земли) равна с — Ч, а на обратном пути с+ К Тогда время прохождения пути 5А5 равно 1 2! ! г,=+ — —— с» — !г е + !г с ! — (!г(е)з Рис. З.2 На пути же 5В5 скорость света относительно установки равна с'=1/с' — 'г'» (рис.
6.2), и время прохождения этого пути 2! 2! ! У с» — !г» е )' ! — (~'!с)» Из сравнения выражений для ! „и ! видно, что свет должен проходить оба пути за разное время, Измерив разность времен 1~ -1,, можно определить скорость установки (Земли) относительно эфира. Несмотря на то что ожидаемая разность времен была чрезвычайно мала, установка была достаточно чувствительной, чтобы эту разность надежно обнаружить (это достигалось с помощью очень чувствительного интерференционного метода). Тем не менее результат опыта оказался отрицательным: разность времен не была обнаружена.
Конечно, случайно могло оказаться, что в момент проведения опыта Земля покоилась относительно эфира. Но тогда через полгода, например, скорость Земли относительно эфира достигла бы 60 км/с. Однако повторение опыта через полгода по-прежнему нс дало о>кидаемого результата. Более точные опыты того же рода, поставленные позднее, также подтвердили первоначальный результат. Отрицательный результат опыта Майкельсона противоречил тому, что ожидалось на основании преобразований Галилея (преобразования скоростей).
Он показал также, что нельзя обнаружить движение относительно эфира, что скорость света не зависит от движения источника света (ведь источник движется по-разному относительно эфира в разные времена года). В пользу того, что скорость света не зависит от скорости источника, говорят и некоторые астрономические наблюдения (например, над двойными звездами), а также другие опыты, поставленные позднее специально с целью проверки этого факта. К началу ХХ в, в теоретической и экспериментальной физике сложилась своеобразная ситуация.
С одной стороны, теоретически были предсказаны различные эффекты, выделяющие из множества инерциальных систем главную (абсолютную). С другой стороны, настойчивые попытки обнаружить эти эффекты на опыте неизменно оканчивались неудачей. Опыт неуклонно подтверждал справедливость принципа относительности для всех явлений, включая и те, к которым теория считала его заведомо неприемлемым. Был сделан целый ряд попыток объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона н аналогичных ему в рамках ньютоновской механики.
Однако все они оказались в конечном счете неудовлетворительными. Кардинальное решение этой проблемы было дано лишь в теории относительности Эйнштейна. 176 й б.2. Постулаты Эйнштейна Глубокий анализ всего экспериментального и теоретического материала, имеющегося к началу ХХ в., привел Эйнштейна к пересмотру исходных положений классической физики, прежде всего представлений о свойствах пространства и времени.
В результате им была создана специальная теория относительности, явившаяся логическим завершением всей классической физики. Эта теория принимает без изменения такие положения ньютоновской механики, как евклидовость пространства и закон инерции Галилея — Ньютона. Что же касается утверждения о неизменности размеров твердых тел и промежутков времени в разных системах отсчета, то Эйнштейн обратил внимание на то, что эти представления возникли в результате изучения движений тел с малыми скоростями, поэтому их экстраполяция в область больших скоростей ничем не оправдана, а следовательно незаконна.
Только опыт может дать ответ на вопрос, каковы их истинные свойства. Это же относится к преобразованиям Галилея и к принципу дальнодействия. В качестве исходных позиций специальной теории относительности Эйнштейн принял два постулата, или принципа, в пользу которых говорит весь экспериментальный материал (и в первую очередь опыт Майкельсона): 1) принцип относительности, 2) независимость скорости света от скорости источника. Первый постулат представляет собой обобщение принципа относительности Галилея на любые физические процессы: все физические явления протекают одинаковым образом во всех инерциальных системах отсчета; все законы природы и уравнения, их описывающие, инвариантны, т. е. не меняются, при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Другими словами, все инерциальные системы отсчета эквивалентны (неразличимы) по своим физическим свойствам; никаким опытом нельзя в принципе выделить ни одну из них как предпочтительную.
Второй постулат утверждает, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника света и одинакова во всех направлениях, 17? Это значит, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Таким образом, скорость света занимает особое положение в природе. В отличие от всех других скоростей, меняющихся при переходе от одной системы отсчета к другой, скорость света в пустоте является инвариантной величиной.
Как мы увидим, наличие такой скорости существенно изменяет представления о пространстве и времени. Из постулатов Эйнштейна следует также, что скорость света в вакууме является предельной: никакой сигнал, никакое воздействие одного тела на другое не могутраспространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.
Именно предельный характер этой скорости и объясняет одинаковость скорости света во всех системах отсчета. В самом деле, согласно принципу относительности, законы ярироды должны быть одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Тот факт, что скорость любого сигнала не может превышать предельное значение, есть также закон природы. Следовательно, значение предельной скорости — скорости света в вакууме †долж быть одинаково во всех ияерциальных системах отсчета: в противном случае эти системы можно было бы отличить друг от друга.
В частности, наличие предельной скорости автоматически предполагает ограничение скорости движения частиц величиной с. Иначе эти частицы могли бы осуществлять передачу сигналов (илн взаимодействий между телами) со скоростью, превышающей предельную. Таким образом, согласно постулатам Эйнштейна, значение всех возможных в природе скоростей движения тел и распространения взаимодействий ограничено величиной с. Этим самым отвергается принцип дальнодействия ньютоновской механики. Все содержание специальной теории относительности вытекает из этих двух ее постулатов. В настоящее время оба постулата Эйнштейна, как и все следствия из них, убедительно подтверждаются всей совокупностью накопленного экспериментального материала.
Синхронизация часов. Прежде чем делать какие-либо выводы из этих постулатов, Эйнштейн тщательно проанализировал представления о способах измерения пространства и времени. В первую очередь он обратил внимание на то, что физической реальностью обладает не точка пространства и не момент времени, когда что-либо произошло, а только само с о б ы т и е. Для описания 178 события в данной системе отсчета нужно указать место, в котором оно происходит, и момент времени, когда оно происходит. Положение точки, в которой происходит событие, может быть определено с помощью жестких масштабов методами евклидовой геометрии и выражено в декартовых координатах.
Ньютоновская механика в этом отношении пользовалась вполне реальными приемами сравнения измеряемых величин с образцовыми эталонами. Соответствующий же момент времени можно определить с помощью часов, помещенных в ту точку системы отсчета, где происходит данное событие. Однако такое определение уже не является удовлетворительным, когда нам надо сопоставить друг с другом события, происходящие в различных местах, или, что то же самое, сравнить время для событий, происходящих в местах, удаленных от часов.
Действительно, чтобы сравнить время (показания часов) в различных точках системы отсчета, прежде всего необходимо установить способ, как определить общее для всех точек системы отсчета время. Другими словами, надо обеспечить синхронный ход всех часов данной системы отсчета. Ясно, что синхронизировать часы, помещенные в различные точки системы отсчета, можно только с помощью каких-нибудь сигналов. Наиболее быстрые сигналы, пригодные для этой цели, — это световые или радиосигналы, распространяющиеся с известной скоростью с, Выбор именно этих сигналов обусловлен еще и тем, что их скорость не зависит от направления в пространстве, а также одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
