Относительность одновременности и отказ от концепции абсолютного времени

Учебный год

Лекция 5

Основы специальной теории относительности (СТО)

Постулаты Эйнштейна и вакуумная концепция электромагнитного поля

В основе СТО лежат два постулата.

1. Все инерциальные системы отсчета равноправны
(принцип относительности).

2. Скорость света в вакууме постоянна во всех инерциальных
системах отсчета.

Второй постулат связан с принципиально новым пред­ставлением о пространстве. Дело в том, что свет, в отли­чие от многих других волновых процессов, может распро­страняться и в пустом пространстве (вакууме). Это на пер­вый взгляд кажется неожиданным, так как волна не может существовать без «субъектов» колебаний — взаи­модействующих друг с другом осцилляторов, образующих среду. Можно сказать, что для света такой средой являет­ся электромагнитное поле. Но тогда возникает вопрос: каким образом это поле оказалось в пустоте? Существова­ло ли поле в пространстве, пока до него не дошла электро­магнитная волна или же волна «принесла» это поле с со­бой? Наиболее радикальный ответ на этот вопрос связан с вакуумной концепцией электромагнитного поля, со­гласно которой это поле (как, впрочем, и другие физиче­ские поля) представляет собой особое, возмущенное со­стояние самого пространства (вакуума). Но, в отличие от эфира, который считался «средой» для электромагнитных волн, вакуум не может быть связан с какой-либо одной определенной ИСО. Другими словами, вакуум «неподви­жен» одновременно во всех ИСО. Таким образом, второй постулат Эйнштейна является следствием вакуумной кон­цепции электромагнитного поля.

Относительность одновременности и отказ от концепции абсолютного времени

Постоянство скорости света во всех ИСО приводит к неожиданному на первый взгляд выводу об относитель­ном характере одновременности и, как следствие, к необ­ходимости отказа от одной из фундаментальных концеп­ций ньютоновской механики — абсолютного времени. То, что одновременные события в одной системе отсчета мо­гут оказаться неодновременными в другой, легко понять, мысленно представив себе следующую ситуацию. Пусть в системе отсчета, связанной с неподвижной железнодорож­ной платформой (Т-система отсчета), перемещается вагон электрички (T'-система отсчета), имеющий две двери, управляемые световыми сигналами. В неко­торый момент времени посередине между дверьми вспы­хивает лампочка. Тогда для наблюдателя, находящегося в вагоне, двери откроются одновременно, так как свет распространяется в T'-системе отсчета во все стороны с одной и той же скоростью, а расстояния от лампочек до дверей одинаковы. В то же время наблюдатель, находящий­ся на платформе, увидит, что задняя дверь откроется рань­ше, чем передняя. Для этого наблюдателя свет также распространяется во все стороны с одной и той же скоростью, но задняя дверь ваго­на приближается к волновому фронту, а передняя дверь, наоборот, удаляется от него. Если мы введем еще одну сис­тему отсчета (Т"), связанную с быстро летящим самолетом, то легко убедиться в том, что для летчика, находящегося в самолете, передняя дверь вагона откроется раньше, чем зад­няя. И для этого наблюдателя свет от вспыхнувшей лам­почки распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях (в его Т" системе отсчете), но при этом ва­гон перемещается в направлении, противоположном на­правлению полета, а значит передняя дверь вагона рань­ше встретится с волновым фронтом световой вспышки. Таким образом, на вопрос о том, одновременно или неод­новременно открылись двери вагона и какая из этих две­рей открылась раньше, должны последовать разные отве­ты в зависимости от того, из какой системы отсчета на­блюдается движение электрички.

Приведенный пример показывает, что интервалы вре­мени между двумя событиями зависят от того, из какой сис­темы отсчета эти события наблюдаются, а это в свою оче­редь означает, что ход времени различен в разных ИСО. Другими словами, время нельзя рассматривать независимо от системы отсчета, с которой связана система пространст­венных координат: время становится одной из «координат» системы отсчета. Поэтому в СТО явления природы рассмат­риваются в едином четырехмерном пространстве-времени.

Поиск по сайту: