Фізичні постулати Ейнштейна

Альберт Ейнштейн – найбільша постать в історії фізики. Для вирішення труднощів, описаних вище, він відмовився від деяких сформованих у фізиці підвалин і вдався до дуже радикальні кроки. Сформулюємо ще раз ті проблеми, з якими зіткнулася фізика, і їх рішення, запропоновані Ейнштейном.

1. Не вдається виявити привілейовану систему відліку, пов’язану з нерухомим світовим ефіром.

Так її і немає зовсім. Ніякого ефіру не існує. Всі інерціальні системи відліку повністю рівноправні між собою, і ніякими фізичними дослідами не можна виділити одну з них серед інших.

Таким чином, Ейнштейн узагальнив принцип відносності Галілея з механічних на взагалі всі фізичні явища.

Принцип відносності Ейнштейна. Усяке фізичне явище при одних і тих же початкових умовах протікає однаково в будь-якій інерційній системі відліку.

Отже, якщо ваша лабораторія знаходиться всередині корабля, то не тільки механічний, а й взагалі ніякої експеримент не дасть вам відповіді на питання, спочиває чи корабель рухається рівномірно і прямолінійно. Ви можете ставити досліди з газами, вивчати теплові явища, спостерігати за поширенням електромагнітних хвиль, стежити за атомними і ядерними процесами, аналізувати взаємодії елементарних частинок – і ніде вам не вдасться виявити будь-яких відхилень в протіканні цих явищ, викликаних фактом рівномірно-прямолінійного руху корабля.

У попередньому розділі ми переконалися в тому, що закони механіки мають однакову математичну форму у всіх інерціальних системах відліку: рівняння, що виражають ці закони, інваріантні відносно перетворень Галілея. Такий сенс принципу відносності Галілея. Узагальнюючий його принцип відносності Ейнштейна стверджує, що будь-який фізичний закон має однакову математичну форму у всіх інерціальних системах відліку. Всі рівняння, що виражають закони фізики, повинні бути інваріантні щодо переходу з однієї інерціальної системи відліку в іншу.

Зокрема, основні рівняння електродинаміки – рівняння Максвелла – повинні зберігати свою форму при такому переході. Як же тоді бути з наступною трудністю?

2. Електродинаміка суперечить механіці в тому, що рівняння Максвелла інваріантні відносно перетворень Галілея.

Що ж, це проблема механіки, а не електродинаміки. Рівняння Максвелла блискуче працюють в області електромагнітних явищ. Якщо перетворення Галілея не в’яжуться з рівняннями Максвелла, то невірні перетворення Галілея, а не рівняння Максвелла.

Але легко сказати – перетворення Галілея невірні! По-перше, вони, здавалося б, абсолютно очевидні – адже вам не склало ніяких труднощів в них розібратися. Чому там, власне кажучи, бути невірним?

А по-друге – наслідком перетворень Галілея, як ми бачили, є закон складання швидкостей. Ви неодноразово користувалися ним при вирішенні завдань. Що ж виходить – і закон складання швидкостей оголошується невірним?

Так, саме так! – Свідчив відповідь Ейнштейна. Класична механіка Ньютона потребує глибокого, докорінного перегляду своїх основних принципів. І слабкий пункт класичної механіки полягає в тому, що механічні закони припускають миттєвість поширення взаємодій між тілами.

Розглянемо, наприклад, гравітаційне тяжіння двох тіл. Якщо одне з тіл змістити в сторону, то, відповідно до закону всесвітнього тяжіння, друге тіло «відчує» цей факт миттєво, як тільки зміниться відстань від нього до першого тіла. Виходить, що взаємодія передається від одного тіла до іншого за нескінченною швидкістю.

Експерименти, однак, показують, що механізм передачі взаємодій полягає в наступному: зміну стану тіла змінює поле біля нього; виникло обурення поля починає бігти в усі сторони з деякою кінцевою швидкістю і лише через певний проміжок часу досягає іншого тіла. Миттєво передаються взаємодій ні в яких дослідах не спостерігається.

Але якщо взаємодії не можуть передаватись у нескінченною швидкістю, то в природі існує гранична, максимальна швидкість поширення взаємодії. Змінені закони механіки повинні враховувати наявність цієї граничної швидкості і, відповідно, кінцівку часу передачі взаємодій між тілами.

Другий постулат4 Ейнштейна відводить виняткову роль швидкості світла.

Принцип інваріантності швидкості світла. У кожній інерційній системі відліку світло рухається у вакуумі з однією і тією ж швидкістю; величина цієї швидкості не залежить від того, покоїться або рухається джерело світла.

Таким чином, вищеописаний досвід з лампочкою в носовій частині зорельота нам провести не вдасться: швидкість світла щодо спостерігача в зорельоті буде дорівнює с, а не c + v, і спостерігач не зможе помітити факт руху зорельота. Класичний закон додавання швидкостей стосовно до швидкості світла не працює.

Ми побачимо далі, що максимальна швидкість поширення взаємодій, притаманна нашому світу, виявляється рівною якраз швидкості світла у вакуумі. Ніякої сигнал, ніяке тіло, ніякої взагалі матеріальний об’єкт в природі не може рухатися зі швидкістю, що перевищує с. Величина с є фундаментальною константою, що відбиває властивості світу, в якому ми живемо.

Обидва постулати Ейнштейна – принцип відносності і принцип інваріантності швидкості світла – лягли в основу спеціальної теорії відносності (СТВ). Ця теорія зачіпає глибокі властивості простору-часу, радикально змінюючи наші уявлення про навколишній міре5. Механіка, побудована Ейнштейном на постулатах СТВ, отримала назву релятивістської (від англ. Relativity – відносність).

Нові та дивовижні властивості простору-часу і нові закони, що встановлюються в СТВ, проявляються при великих швидкостях руху – і тим яскравіше, чим ближче ми підходимо до швидкості світла. У повсякденному житті ми не помічаємо цих релятивістських ефектів – з тієї простої причини, що звичні нам швидкості надзвичайно малі в порівнянні зі швидкістю світла. У багатьох практичних завданнях можна вважати швидкість світла нескінченної – і тоді прекрасно працює класична механіка.

Отже, класична механіка виявляється наближеною теорією і годиться для невеликих швидкостей. Релятивістська механіка використовується тоді, коли швидкості тіл досить близькі до швидкості світла – в таких ситуаціях класична механіка відмовляє абсолютно. Класична механіка є граничним випадком релятивістської механіки: формули класичної механіки виходять з релятивістських формул граничним переходом з ^ œ.

Які ж нові властивості простору-часу і нові фізичні закони відкрила теорія відносності? Ми будемо розповідати про них у двох наступних розділах. Тут ми покажемо лише, що з постулатів СТВ слідують досить несподівані і, здавалося б, парадоксальні висновки.

Посилання на основну публікацію