Создание теории относительности

2.4. Создание теории относительности

Победа электромагнитной теории Максвелла привела к кризису господствовавший до тех пор в среде физиков ньютонианский взгляд на мир. Следствием этого стал критический анализ оснований классической механики "конца века" и создание альтернативных механик без понятия силы. С новой силой и аргументацией возродился спор XVII в. между Ньютоном и Лейбницем о существовании абсолютного пространства и времени. В физике разразился "гносеологический кризис", центральное место в котором заняла критическая философия Эрнста Маха.

На этом фоне вызревало противоречие между максвелловской электродинамикой и классической механикой как физическими теориями. Сконцентрировались они вокруг вопроса о распространении электромагнитных волн (частным случаем которых стал свет) - квинтэссенции теории Максвелла.

Со времен Ньютона существовал принцип эквивалентности механических явлений во всех инерциальных (т.е. движущихся прямолинейно и равномерно) системах отсчета. Математическим выражением этого факта была инвариантность уравнений движения Ньютона по отношению к преобразованиям Галилея:

x'=x+v₀t; y'=y, z'=z, t'=t, v'=v+ v_0,

где v₀- скорость движения "штрихованной" системы отсчета относительно движущейся с постоянной скоростью v₀ относительно "нештрихованной" (относительно оси х). В результате этого принципа относительности механические явления не дают возможности определять абсолютное движение, т.е. определить какая из двух систем отсчета движется "на самом деле".

Электромагнитная теория Максвелла нарушала эту идиллию - нарушалась симметрия между тем движется ли проводник относительно магнитного поля или магнитное поле относительно проводника. Связано это с тем, что уравнения Максвелла оказываются инвариантными не относительно преобразований Галилея, а относительно преобразования Лоренца:

x'=g (x-vt), y'=y, z'=z, t'=g (t-vx/c²), g =(1-v²/c²)-1/2, связывающие одну систему координат пространства-времени (x', y', z', t') c другой (x, y, z, t), движущейся с постоянной скоростью v относительно первой (относительно оси х). Это утверждение было сформулировано Лоренцем в 1899 г. (но первым, за два года до этого, их, фактически, записал В.Фогт).

Но острее всего эта проблема сконцентрировалась вокруг вопроса о характере распространения света. Если предположить, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета (то. К чему пришел Эйнштейн), то нарушаются правила преобразования Галилея, а если нет, то по отношению к распространению света инерциальные системы отсчета перестают быть равноправными.

Одним из вариантов решения этой проблемы был динамическим: в 1892 г. была введена гипотеза о сокращении Фицджеральда-Лоренца (второго порядка по v/c) длины вдоль направления движения, которую Лармор связал с преобразованиями Лоренца.

Отметим, что эта гипотеза была выдвинута в рамках характерной для 19 в. эфирной[1]

формулировки этой проблемы и связанными с ними опытами Майкельсона и Морли. Последние позже, в учебниках, были объявлены "решающими экспериментами", но непосредственного влияния на Эйнштейна они не оказали. СТО рождалась из преодоления указанного выше теоретического противоречия. "Невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет собой, по-видимому, общий закон природы", - пишет Пуанкаре в июньской статье (1905), и затем, ссылаясь на Лоренца, говорит о "полной невозможности обнаружить абсолютное движение". "В работе 1904 г. Пуанкаре рассматривает ситуацию с двумя наблюдателями, равномерно движущимися друг относительно друга и пытающимися синхронизовать свои часы при помощи световых сигналов. "Выверенные таким способом часы быдут показывать не истинное время, а так называемое местное время". Каждому наблюдателю кажется, что у другого все явления протекают медленнее, причем это замедление одинаково для всех явлений, указывает Пуанкаре, и "как следует из принципа относительности, [у наблюдателя] не будет никакого средства узнать, находится ли он в покое или в абсолютном движении"" /Пайс, с. 126/.

Из этой позиции и исходил Эйнштейн в своей знаменитой статье 1905 г. “К электродинамике движущихся тел”, где специальная (частная) теория относительности (СТО) была сформулирована почти в полном виде[2].

В основе СТО лежали 2 постулата:

1.Все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. “...Для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения