Вопрос №19

В основе специальной теории относительности А. Эйнштейна лежат два постулата, смысл которых можно выразить так:

1. При одинаковых условиях, реализованных по отдельности в двух системах отсчета - некоторой инерциальной системы К и системы К', движущейся равномерно и прямолинейно относительно системы I - любые физические процессы в этих системах отсчета протекают одинаково.

2. В природе существует предельная (максимальная) скорость распространения физических сигналов (взаимодействий), одна и та же во всех инерциальных системах отсчета. Эта максимальная скорость совпадает со скоростью света в вакууме, она не зависит от движения источника и приемника света и равна с = 300000 км/с.

Из первого принципа следует: если для данной задачи (некоторого класса задач) найдена инерциальная система отсчета I, то для этой задачи существует и бесчисленное множество инерциальных систем типа II, движущихся равномерно прямолинейно относительно I. Скорости всех систем II меньше с. Системы отсчета необходимо связывать с телами, а скорости тел не могут равняться или превосходить максимальную скорость света в вакууме, равную с. Скорости тел строго меньше максимальной.

Развитие науки показало, что оба принципа Эйнштейна подтверждаются всей совокупностью экспериментальных и теоретических знаний современной физики.

Из принципов Эйнштейна следует: одновременность разноместных событий не является абсолютной, независимой от систем отсчета.

Действительно, пусть от лампы L, находящейся на середине платформы, движущейся со скоростью V, начал распространяться свет. Для наблюдателя, находящегося на платформе, свет дойдет до ее концов одновременно, тогда как для наблюдателя на перроне он дойдет до левого конца раньше, а до правого позже, т.к. левый конец приближается к фронту световой волны, а правый отдаляется (оба наблюдателя исходят из принципов Эйнштейна; скорость света в обоих направлениях для каждого из наблюдателей равна максимальной скорости с и не зависит от того движется или покоится источник света).

Математическое описание физических явлений требует использования системы отсчета, а значит установления взаимно однозначного соответствия между моментами времени и числами, а также между точками пространства и тройками чисел (координатами точек). Координаты точек пространства в выбранной системе отсчета в принципе можно установить " перекладыванием" единичного масштаба (практическая сторона процедуры нас здесь не интересует). В качестве единицы длины можно взять, например, определенное число длин волн излучения атомов некоторого элемента в состоянии покоя. рассматриваемой системе отчета. Эталоном времени может быть некоторое число периодов излучения тех же неподвижных атомов. Что касается арифметизации времени (то есть приписывания различным моментам времени численных значений), то ее можно осуществить в принципе следующим мысленным экспериментом. Пусть мы располагаем неограниченным количеством идеально правильно равномерно идущих часов. Пусть в инерциальной системе отсчета I по часам, находящимся в начале координат О (эти часы называются базовыми) в момент t1, послан световой сигнал. Согласно второго принципа Эйнштейна, свет придет в некоторую точку М системы I в момент , где L = ОМ. Если для любого t1 часы в точке М в момент прихода сигнала показывают именно такое время , то это означает, что течение времени в точке М согласовано (синхронизовано) с временем базовых часов. Синхронизованные часы, находящиеся в точке М, идут правильно, и тем самым нами введено " местное время" для этой точки. Теперь будем считать, что во всех точках системы I " расставлены" неподвижно (в этой cистеме) правильно идущие часы. Тем самым время введено для всей инерциальной системы I. В итоге и пространство, и время системы I арифметизированы.

В дальнейшем рассмотрении две инерциальные системы отсчета будем обозначать система I и система II и считать их движущимися друг относительно друга.

Поскольку все инерциальные системы равноправны, аналогично арифметизируется пространство и время также и системы II. При этом, с каждой точкой системы II связываются неподвижно часы, принадлежащие именно этой системе II; все эти часы идут одинаково с базовыми часа своего начала О системы II.

В итоге, с каждой из систем I и II связаны неподвижные в этих системах часы. Часы системы II движутся относительно часов системы I со скоростью V, Здесь и всегда дальше предполагается, что система II движется со скоростью относительно системы I в направлении оси абсцисс Х. Остается только согласовать выбор начал отсчета времени в системах 1 и II между собой. Принимается условие: когда декартовы оси обеих систем I и II совмещались, базовые часы начал координат в обеих системах должны были показывать одинаковое время: t = 0 (в системе I) и также t = 0 (в системе П).

Посредством указанных мысленных операций арифметизация пространства и времени проведена, таким образом, в обеих системах отсчета I и П на основании принципов Эйнштейна. Теперь физические события и процессы доступны для изучения с использованием либо системы I, либо системы II. Связь между координатами и временем какого-либо события в системе I и соответствующими параметрами в системе II определяется преобразованиями Лоренца.