Классическая механика Ньютона, как теория движения, долгое время находилась в полном согласии с опытом, пока не были проведены эксперименты по определению скорости света. Применение элементарного преобразования Галилея относительно движущегося приемника или источника приводит к тому, что скорость света cR = c ±u, где u – скорость приемника, который движется навстречу источнику (+) или от него (-) относительно движущегося приемника должна определяться как
Однако многочисленные попытки подтвердить это равенство оказались безуспешными. Во всех экспериментах с движущимся источником скорость света оказывалась неизменной в свободном пространстве cR = с, т.е. имела одно и то же значение во всех системах отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно относительно источника света. Другими словами, скорость света оказалась инвариантной для, инерциальных систем отсчета.
Кроме этого, в природе не было обнаружено объектов, движущихся с большей скоростью, чем скорость света. Не увенчались успехом и попытки ускорить, в частности, заряженные, частицы до скоростей, больших или равных скорости света.
В связи с этим было признано, что механика Ньютона является ограниченно справедливой, т.е. справедлива для движения больших масс и малых скоростей, где ее выводы хорошо совпадают с практикой. В результате возникла необходимость создания новой, более всеобъемлющей механики, которая включала бы механику Ньютона, как частный предельный случай для малых скоростей.
Такую теорию в 1906 г. предложил Эйнштейн. Она получила название специальной (частной) теорий относительности. В основу теории Эйнштейн положил два постулата:
1.
Принцип относительности, который является обобщением принципа относительности Галилея на любые физические процессы. Он формулируется следующим образом:
Все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах. Или другими словами: все законы природы и уравнения, их описывающие, инвариантны (не изменяются) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
Таким образом, никаким опытом нельзя, в принципе, выделить предпочтительную инерциальную систему, они все эквивалентны.
2. Скорость света в вакууме не зависит от движения источника и одинакова во всех направлениях, т.е. скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах и является предельной.
С=3*108 м/с
Из этого постулата следует, что никакой сигнал, никакое воздействие одного тела на другое не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Это положение принципиально отличается от положенного в основу механики Ньютона положения, что взаимодействие тел распространяется мгновенно, т.е. с бесконечно большой скоростью.
факт постоянства скорости света требует пересмотра представлений о геометрии мира и представлений о времени.
Рассмотрим две инерциальные системы отсчета:
К с осями XYZ и началом в точке О и K’ с осями X’Y’Z’ и началом в точке O’. Времена t и t’ в обеих системах отсчитываются от момента, когда точки
O и O’ совпадали. При t = t’= 0 в начале координат происходит вспышка света. ОА = ОВ = l; O’A’ = O’B’ = l;
Рассмотрим в какой последовательности во времени световой сигнал будет достигать точек A, B, A’, B’. (Обе системы равноправны, свет в обеих системах распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях).
Система К. Световой сигнал достигает точек А и В через одинаковое время t = l/c. Точка A’ движется навстречу лучу света и будет поэтому освещена раньше. Точка B’ удаляется от источника света и будет освещена позже всех.
Свет достигнет точки A’ раньше всех;
Свет достигнет точек A и В одновременно;
Свет достигнет точки В’ позже всех.
Система К’.
Свет достигнет точки B раньше всех;
Свет достигнет точек A’ и В’ одновременно;
Свет достигнет точки A позже всех.
Таким образом, в специальной теории относительности в отличие от механики Ньютона при переходе от одной системы координат к другой преобразования координат и времени должны быть такими, чтобы (в отличие от преобразований Галилея) значение скорости света было независимо от движения источника.
Такая форма преобразования координат и времени получила название преобразований Лоренца.
x’ = ; x =
y’ = y; y = y’
z’ = z; z = z’
t’ = ; t = ;
Лоренц был уверен в том, что время во всех системах отсчета должно течь одинаково. Поэтому преобразования времени он счел фиктивными, а следовательно и все остальные преобразования лишенными физического смысла. Лишь Эйнштейн сумел понять, что речь идет об истинных временах инерциальных систем S и S’. Величина t есть реальное время системы отсчета S, t’ –столь же реальное время системы отсчета S’.
Из преобразований Лоренца следует, что как расстояние, так и промежуток времени между двумя событиями меняется при переходе от одной системы отсчета к другой. В закон преобразования координат входит время, в закон преобразования времени- координаты. Устанавливается взаимосвязь пространства и времени.