На рубеже XIX и XX вв. физика пережила глубокий кризис. Чтобы правильно объяснить опыты А. Майкельсона и Э. Морли, необходимо было отказаться от привычных представлений о пространстве и времени. Эту проблему удалось решить скромному служащему патентного бюро в швейцарском городе Берне Альберту Эйнштейну.
В своей работе Эйнштейн без всякого нового эксперимента, проанализировав и обобщив уже известные исследовательские факты, впервые изложил идеи теории относительности, которые коренным образом изменили привычные представления о свойствах пространства и времени.
Альберт Эйнштейн утверждал, что законом природы является полная равноправие всех инерциальных систем отсчета относительно не только механических, но и электромагнитных процессов. Нет никакой различия между состоянием покоя и состоянием равномерного прямолинейного движения. Принцип относительности - главный постулат теории Эйнштейна. Первый постулат Эйнштейна
^ Все явления природы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково и описываются одинаковыми уравнениями.
Это означает, что во всех инерциальных системах отсчета физические законы имеют одинаковую форму. Следовательно, принцип относительности классической механики обобщается по всех процессов в природе, в том числе и электромагнитных.
Второй постулат утверждает постоянство скорости света во всех ИСО:
^ Скорость света в вакууме - величина абсолютная, инвариантна относительно всех ИСО и не зависит от скорости движения источника или приемника сигнала.
Таким образом, скорость света занимает особое положение. Более того, как следует из постулатов теории относительности, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.
Постулаты СТО явно противоречат классическим представлениям. Рассмотрим такой мысленный эксперимент: в момент времени t = 0, когда координатные оси двух инерциальных систем К и К 'совпадают, в общей точке начала координат состоялся кратковременный вспышка света. За время t системы сместятся относительно друг друга на расстояние vt, а сферический волновой фронт в каждой системе будет радиус et (см. рис.), Потому что системы равноправны и в каждой из них скорость света равна с.
С точки зрения наблюдателя в системе К, центр сферы находится в точке 0, а по мнению наблюдателя в системе К ', он будет находиться в точке 0'. Итак, центр сферического фронта одновременно находится в двух разных точках! Причина такого недоразумения кроется не в противоречии между двумя принципами СТВ, а в предположении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем относится к тому же моменту времени. Это предположение изложенное в формулах преобразования Галилея, согласно которым время в обеих системах истекает одинаково: t = t \
Итак, постулаты Эйнштейна противоречат не между собой, а формулам преобразования Галилея. Поэтому на смену галилеевых преобразованием СТВ предложила другие формулы преобразования при переходе из одной инерциальной системы в другую - так называемые преобразования Лоренца, которые при скоростях движения, близких к скорости света, позволяют объяснить все релятивистские эффекты, а при малых скоростей (v с) переходят в формулы преобразования Галилея. Таким образом, новая теория (СТВ) не отвергла старую классическую механику Ньютона, а лишь уточнила границы ее применимости.
Вопрос к ученикам во время изложения нового материала
1. Что понимают в физике под системой отсчета?
2. Какие системы отсчета называются инерциальными? Приведите примеры.
3. Можно утверждать, что физические процессы и явления, которые когда-либо будут открыты, также подчиняться принципу относительности?
Закрепление изученного материала
Контрольные вопросы
1. Какие причины привели к созданию теории относительности?
2. В чем отличие первого постулата теории относительности от принципа относительности в механике?