PhysBook
PhysBook
Представиться системе

SA. История СТО

Материал из PhysBook


История специальной теории относительности (СТО).

Немного кинематики

В 1632 году в книге «Диалоги о двух главнейших системах мира» Галилео Галилей привёл рассуждения:

Галилео Галилей (15.02.1564-8.01.1642), Италия
Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же.
Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно.

Таким образом, Галилей утверждал, что с точки зрения механических явлений инерциальные системы отсчёта (ИСО) совершенно равноправны: никакой механический эксперимент не в состоянии выделить какую-то одну инерциальную систему отсчёта по сравнению с остальными.

Принцип относительности Галилея:

  • все механические явления при одних и тех же начальных условиях протекают одинаково в любой ИСО.

Величины и соотношения, не меняющиеся при переходе из одной ИСО в другую, называются инвариантными.

Так, ускорение, масса, время и сила инвариантны; скорость, перемещение, координаты — не инвариантны.

Галилей вывел формулы (преобразования Галилея), позволяющие рассчитать величины при смене ИСО. И как следствия из них — закон сложения скоростей:

\[\vec{\upsilon }_{1} =\vec{\upsilon }_{2} +\vec{\upsilon }_{1/2} .\]

Эфир

Еще в трудах древнегреческих учёных встречается понятие «эфир» как особое небесное вещество, «заполнитель пустоты» в Космосе. Аристотель также считал, что планеты и другие небесные тела состоят из эфира, который есть «пятый элемент» природы, причём, в отличие от остальных (огня, воды, воздуха и земли), вечный и неизменный.

Это понятие «вспомнили» в физике с развитием волновой оптики. Известно, что волновой процесс представляет собой распространение колебаний в упругой среде. А в какой среде распространяется свет? В 1618 году Рене Декарт предположил, что свет распространяется в эфире.

Учение Декарта о свете было существенно развито Х.Гюйгенсом в его «Трактате о свете» (Traité de la lumière, 1690). Гюйгенс рассматривал свет как волны в эфире и разработал математические основы волновой оптики. Но что это за вещество эфир? Ответ на этот вопрос Гюйгенс искал, сопоставляя движения звука и света, определяя, в каких отношениях они похожи друг на друга и в чем они расходятся. Показав таким образом, что веществом, движением которого мог бы быть свет, не может быть воздух, так как свет распространяется и в безвоздушном пространстве, Гюйгенс утверждает, что это должно быть особая материя. Эта материя заполняет всю Вселенную, проникает во все тела, чрезвычайно разрежена, так что она не проявляет свойств тяжести, но очень жесткая и упругая.

Концепция светоносного эфира Декарта-Гюйгенса стала вскоре общепринятой в науке XVII-XVIII веков.

В теории эфира есть ряд нерешенных проблем. Например, если тело движется в эфире, то эфир остается неподвижным или же полностью, или частично движется за телом?

Для получения ответа провели ряд экспериментов. Наиболее важными оказались результаты двух опытов: И.Физо и А. Майкельсона.

В основе эксперимента И.Физо (1851 г.) лежали следующие рассуждения. Пусть в неподвижной жидкости свет распространяется со скоростью $c'=\dfrac{c}{n} $, где n — показатель преломления жидкости. Если жидкость при движении со скоростью υ полностью увлекает весь содержащийся в ней эфир, то скорость распространения света в движущейся жидкости должна быть $c'+\upsilon .$ Но эксперимент Физо показал, что скорость света в движущейся жидкости равна $c'+\alpha \cdot \upsilon ,$ где α < 1, т.е. свет только частично увлекается жидкостью.

В 1881 г. А. Майкельсон поставил задачу измерить скорость света в двух направлениях — в совпадающем с движением Земли и перпендикулярном ему. Согласно гипотезе об увлечении эфира скорость света в этих взаимноперпендикулярных направлениях должна быть разной. В направлении движения Земли скорость света с в неподвижной системе отсчета должна была суммироваться со скоростью движения Земли υ, т.е. составлять $c'+\upsilon $ или $c'+\alpha \cdot \upsilon $ (как в опыте Физо). В перпендикулярном направлении скорость должна была остаться равной с. Однако опыт Майкельсона не нашел различий в скоростях света по этим направлениям. Позже (1887 г.) А. Майкельсон и Эдвард Морли повторили опыт несколько раз с возрастающей точностью, но результат был один и тот же. Это возможно, или если весь эфир движется вместе с Землей с одинаковыми скоростями (т.е. эфир полностью увлекается движущейся Землей, что противоречит результатам опыта Физо), или никакого эфира вокруг Земли нет.

В 1958 году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент (10−9 %) с использованием противонаправленных лучей двух мазеров. Ещё более точные измерения в 1974 году довели чувствительность установки до 25 мм/с.

Электродинамика Дж. Максвелла

В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл, обобщая экспериментальные открытия Х. Эрстеда, А. Ампера и М. Фарадея, записывает систему уравнений для описания электромагнитного поля.

Джеймс Клерк Максвелл (13.06.1831-5.11.1879), Великобритания

Из этих уравнений следовало, что в пустом пространстве электромагнитные волны распространяются со скоростью света, и это максимально возможная скорость. На основании этого была выдвинута гипотеза о волновой, электромагнитной природе света. При выводе своих уравнения Дж. Максвелл учитывал, что средой, в которой распространяются электромагнитные волны, является эфир. В более поздних работах (с 1864 года), ученый перестал использовать понятие «эфир». Но уравнения то остались. А когда в 1887 г. в эксперименте Майкельсона-Морли выяснилось, что никакого эфира нет, это было ударом по сторонникам электродинамики Максвелла.

Кроме того, утверждение теории Дж. Максвелла о том, что скорость света в пустоте (вакууме) не может быть больше c = 3∙108 м/с не согласуется с законом классической механики — законом сложения скоростей. Например, относительно наблюдателя 1 на перроне поезд движется со скоростью υ и включает прожектор. Чему равна скорость света прожектора относительно наблюдателя 1?

  • По закону сложения скоростей $\upsilon _{1} =c+\upsilon .$
  • По теории Дж. Максвелла $\upsilon _{1} =c$ (скорость света не может быть больше c).

Какая правильная? Эксперименты показывают, что вторая.

Теория относительности

В физики на границе XIX-XX веков наступил кризис: от одной фундаментальной теории (теории эфира) пришлось отказаться, вторая, новая теория (электродинамика Максвелла) стала вызывать подозрения и противоречит классической механике. Что делать дальше?

Некоторые физики пытались найти объяснения опыту А. Майкельсона и противоречий электродинамики и механике, используя теорию эфира. Так Х. Лоренц (1892-1904 г.г.) вывел ряд формул (преобразования Лоренца), которые математически разрешали эти противоречия. Но правильно определить физический смысл величин, входящих в его уравнения, он не смог.

К работам Х.Лоренца в 1895 г. подключился математик Анри Пуанкаре. В частности, он предложил применять принцип Галилея и для электромагнитных явлений; выдвинул гипотезу постоянства скорости света. Под влиянием работ Пуанкаре Лоренц в 1904 году предложил новый вариант своей теории. В ней он предположил, что при больших скоростях механика Ньютона нуждается в поправках. Анри Пуанкаре еще дальше развивает его идеи в статье «О динамике электрона» (краткое сообщение о полученных результатах было сделано 5 июня 1905 г., а полная версия поступила в редакцию Французской Академии наук 23 июля 1905 г. и была опубликована в январе 1906 г). В этой статье была фактически сформулирована новая теория относительности.

30 июня 1905 г. в издательство поступает статья «К электродинамике движущихся тел» (опубликована в сентябре 1905) никому не известного автора Альберта Эйнштейна. Автор в своей работе использовал, как и Пуанкаре, преобразования Лоренца. Однако, в отличие от Пуанкаре, Эйнштейн нигде не применял понятие эфира. Все новые эффекты, которые Лоренц и Пуанкаре считали динамическими свойствами эфира, в теории относительности Эйнштейна вытекают из свойств пространства и времени. Вероятно, недостаточно глубокий анализ физической сущности теории в работах Пуанкаре и послужил причиной того, что физики не обратили на его работы того внимания, которого они заслуживали.

В 1907 году Герман Минковский предложил геометрическое представление кинематики теории относительности, введя четырёхмерное пространство (известное сейчас как пространство Минковского). Все релятивистские эффекты получили наглядное геометрическое истолкование. Модель Минковского существенно помогла Эйнштейну в разработке общей теории относительности, полностью опирающейся на аналогичные идеи.

«Специальная теория относительности не является трудом одного человека, она возникла в результате совместных усилий группы великих исследователей: Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Минковского

Макс Борн (1959)

Что дальше?

Часть учёных сразу приняли СТО, например, Макс Планк (1906 г.), часть указывали на то, что теория относительности не предсказывает новых фактов, которые можно проверить экспериментально, и ничем не лучше теории Лоренца. В 1908 г. Дж. Томсон, В. Ритц предложили свою собственную теорию (баллистическую), в которой дали новый вариант электродинамики, оптики и теории гравитации. Они отказались от теории Дж. Максвелла и сохранили классическую механику Ньютона. Но эта теория не прошла экспериментальную проверку, и из-за смерти в 1909 году ее автора, В. Ритца, не получила дальнейшего развития. Хотя и в настоящее время некоторые ученые поддерживают эту теорию.

И только 6 ноября 1919 года наступил день триумфа теории относительности. В этот день в Лондоне состоялось совместное заседание Королевского общества и Королевского астрономического общества, на котором были объявлены и утверждены окончательные результаты измерения отклонения света Солнцем, полученные при наблюдении затмения Солнца 29 мая 1919 года. Председательствующий на заседании президент Королевского общества Дж.Дж.Томсон закончил свою яркую речь словами: «... сейчас это событие приобретает еще большую важность, потому что значение отклонения подтверждает закон тяготения, открытый Эйнштейном». И сразу же пресса многих стран известила читателей о революции в науке. Газеты несколько дней пестрели такими заголовками: «Новая теория строения Вселенной», «Эйнштейн против Ньютона», «Альберт Эйнштейн — новый гигант мировой истории» и т.п. А.Эйнштейн с тех пор стал на долгие годы самым популярным ученым-физиком.

Все экспериментальные данные XX-XXI веков в физике высоких энергий, ядерной физике, спектроскопии, астрофизике, электродинамике и других областях физики согласуются с теорией относительности. Фактически эта теория стала инженерной наукой. Её формулы используются при расчёте ускорителей элементарных частиц. Обработка огромных массивов данных по столкновению частиц, двигающихся с релятивистскими скоростями в электромагнитных полях, основана на законах релятивистской динамики, отклонения от которых обнаружено не было. Поправки, следующие из теории относительности, используются в системах спутниковой навигации (GPS), в ядерной энергетики и т. д.

Всё это не означает, что теория относительности не имеет пределов применимости. Напротив, как и в любой другой теории, они существуют, и их выявление является важной задачей экспериментальной физики. При дальнейшем развитии физики могут быть обнаружены эффекты, которые изменят соотношения теории относительности. Однако необходимо понимать, что это приведет к созданию более общих теорий, частным случаем которой будет теория относительности. Теория, получившая многочисленные экспериментальные подтверждения, не может оказаться неверной, хотя, конечно, область её применимости может быть ограничена.

Литература

  1. История теории относительности - ru.wikipedia
  2. Тяпкин А.А. Об истории возникновения «теории относительности»