Специальная теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., означала пересмотр всех представлений классической физики и главным образом представлений о свойствах пространства и времени. Поэтому данная теория по своему основному содержанию может быть названа физическим учением о пространстве и времени. Физическим потому, что свойства пространства и времени в этой теории рассматриваются в теснейшей связи с законами совершающихся в них физических явлений. Термин «специальная» подчеркивает то обстоятельство, что эта теория рассматривает явления только в инерциальных системах отсчета.

Мы начнем этот раздел с краткого обзора дорелятивистской физики и остановимся на истоках тех трудностей, которые привели к появлению теории относительности.

Основные представления дорелятивистской физики.
Напомним сначала те представления о пространстве и времени, которые связаны с законами Ньютона, т. е. лежат в основе ньютоновской механики.

1. Пространство, имеющее три измерения, подчиняется евклидовой геометрии.
2. Наряду с трехмерным пространством существует независимое от него время (независимое в том смысле, в каком три измерения пространства не зависят друг от друга). Но вместе с тем время связано с пространством законами движения. Действительно, время измеряют часами, в принципе представляющими собой любой прибор, в котором используется тот или иной периодический процесс, дающий масштаб времени. Поэтому определить
время безотносительно к какому-либо периодическому процессу, т. е. вне связи с движением, невозможно.

3. Размеры твердых тел (масштабы) и промежутки времени между данными событиями одинаковы в разных системах отсчета. Это соответствует ньютоновской концепции абсолютности пространства и времени, согласно которой их свойства считаются не зависящими от системы отсчета – пространство и время одинаковы для всех систем отсчета.

4. Признается справедливость закона инерции Галилея – Ньютона, согласно которому тело, не подверженное действию со стороны других тел, движется прямолинейно и равномерно. Этот закон утверждает существование инерциальных систем отсчета, в которых выполняются законы Ньютона (а также принцип относительности Галилея).

Рис. 6.1

5. Из этих представлений

вытекают преобразования Галилея, выражающие пространственно-временну́ю связь любого события в разных инерциальных системах отсчета. Если $K^{\prime}$-система отсчета движется относительно $K$-системы со скоростью V (рис. 6.1) и начало отсчета времени соответствует моменту, когда начала координат $O^{\prime}$ и $O$ обеих систем совпадают, то *
\[
x^{\prime}=x-V t ; \quad y^{\prime}=y ; \quad t^{\prime}=t .
\]

Отсюда следует, что координаты любого события относительны, т. е. имеют разные значения в разных системах отсчета; момент же времени, когда событие произошло, одинаков в разных системах. Последнее означает, что время течет одинаковым образом в разных системах отсчета. Это обстоятельство казалось столь очевидным, что даже не оговаривалось как специальный постулат.

Из (6.1) непосредственно вытекает закон преобразования (сложения) скоростей:

\[
\mathbf{v}^{\prime}=\mathrm{v}-\mathrm{V} \text {, }
\]

тде $\mathbf{v}^{\prime}$ и $\mathbf{v}$ – скорости точки (частицы) в $K^{\prime}$ – и $K$-системах отсчета.

6. Выполняется принцип относительности Галилея: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в механическом отношении, все законы механики одинаковы в этих системах отсчета, или, другими словами, инвариантны относительно преобразований Галилея.

7. Соблюдается принцип дальнодействия: взаимодействия тел распространяются мгновенно, т. е. с бесконечно большой скоростью.

Эти представления ньютоновской механики вполне соответствовали всей совокупности экспериментальных данных, имевшихся в то время (заметим, впрочем, что эти данные относились к изучению движения тел со скоростями, значительно меньшими скорости света). В их пользу говорило и весьма успешное развитие самой механики. Поэтому представления ньютоновской механики о свойствах пространства и времени стали считаться настолько фундаментальными, что никаких сомнений в их истинности ни у кого не возникало.

Первому испытанию подвергся принцип относительности Галилея, который, как известно, касался только механики – единственного раздела физики, достигшего к тому времени достаточного развития. По мере развития других разделов физики, в частности оптики и электродинамики, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности и на другие явления? Если нет, то с помощью этих (немеханических) явлений можно в принципе различить инерциальные системы отсчета и в свою очередь поставить вопрос о существовании главной, или абсолютной, системы отсчета.

Одно из таких явлений, которое, как ожидали, по разному протекает в разных системах отсчета, – это распространение света. Согласно господствовавшей в то время волновой теории, световые волны должны распространяться с определенной скоростью по отношению к некоторой гипотетической среде («светоносному эфиру»), о природе которой, правда, не было единого мнения. Но какова бы ни была природа этой среды, она не может, конечно, покоиться во всех инерциальных системах сразу. Тем самым выделяется одна из инерциальных систем – абсолютная – та самая, которая неподвижна относительно «светоносного эфира». Полагали, что в этой – и только этой – системе отсчета свет распространяется с одинаковой скоростью $c$ во всех направлениях. Если некоторая инерциальная система отсчета движется по отношению к эфиру со скоростью $\mathbf{V}$, то в этой системе отсчета скорость света $\mathbf{c}^{\prime}$ должна подчиняться обычному закону сложения скоростей (6.2), т. е. $\mathbf{c}^{\prime}=\mathbf{c}-\mathbf{V}$.

Это предположение оказалось возможным проверить на опыте, который и был осуществлен Майкельсоном (совместно с Морли).

Опыт Майкельсона. Цель этого эксперимента заключалась в том, чтобы обнаружить «истинное» движение Земли относительно эфира. Было использовано движение Земли по еє орбите со скоростью $30 \mathrm{~km} / \mathrm{c}$. Идея эксперимента состояла в следующем.

Свет от источника $S$ (рис. 6.2) посылался в двух взаимно перпендикулярных направлениях, отражался от зеркал $A$ и Рис. 6.2 $B$, находящихся на одинаковом расстоянии $l$ от источника $S$, и возвращался в точку $S$. В этом опыте сравнивалось время прохождения светом обоих путей: $S A S$ и $S B S$.

Предположим, что установка вместе с Землей движется так, что ее скорость $\mathbf{V}$ относительно эфира направлена вдоль $S A$ (в момент проведения опыта). Если скорость света подчиняется обычному закону сложения скоростей (6.2), то на пути $S A$ скорость света относительно установки (Земли) равна $c-V$, а на обратном пути $c+V$. Тогда время прохождения пути $S A S$ равно
\[
t_{\perp}=\frac{l}{c_{2}-V}+\frac{l}{c+V}=\frac{2 l}{c} \frac{1}{1-(V / c)^{2}} .
\]

На пути же $S B S$ скорость света относительно установки равна $c^{\prime}=\sqrt{c^{2}-V^{2}} \quad$ (рис. 6.2), и время прохождения этого пути
\[
t_{\perp}=\frac{2 l}{\sqrt{c^{2}-V^{2}}}=\frac{2 l}{c} \frac{1}{\sqrt{1-(V / c)^{2}}} .
\]

Из сравнения выражений для $t_{\text {॥ }}$ и $t_{\perp}$ видно, что свет должен проходить оба пути за разное время. Измерив

разность времен $t_{1}-t_{\perp}$, можно определить скорость установки (Земли) относительно эфира.

Несмотря на то что ожидаемая разность времен была чрезвычайно мала, установка была достаточно чувствительной, чтобы эту разность надежно обнаружить (это достигалось с помощью очень чувствительного интерференционного метода).

Тем не менее результат опыта оказался отрицательным: разность времен не была обнаружена. Конечно, случайно могло оказаться, что в момент проведения опыта Земля покоилась относительно эфира. Но тогда через полгода, например, скорость Земли относительно эфира достигла бы $60 \mathrm{~km} / \mathrm{c}$. Однако повторение опыта через полгода по-прежнему не дало ожидаемого результата.

Более точные опыты того же рода, поставленные позднее, также подтвердили первоначальный результат.

Отрицательный результат опыта Майкельсона противоречил тому, что ожидалось на основании преобразований Галилея (преобразования скоростей). Он показал также, что нельзя обнаружить движение относительно эфира, что скорость света не зависит от движения источника света (ведь источник движется по-разному относительно эфира в разные времена года).

В пользу того, что скорость света не зависит от скорости источника, говорят и некоторые астрономические наблюдения (например, над двойными звездами), а также другие опыты, поставленные позднее специально с целью проверки этого факта.

К началу XX в. в теоретической и экспериментальной физике сложилась своеобразная ситуация. С одной стороны, теоретически были предсказаны различные эффекты, выделяющие из множества инерциальных систем главную (абсолютную). С другой стороны, настойчивые попытки обнаружить эти эффекты на опыте неизменно оканчивались неудачей. Опыт неуклонно подтверждал справедливость принципа относительности для всех явлений, включая и те, к которым теория считала его заведомо неприемлемым.

Был сделан целый ряд попыток объяснения отрицательного результата опыта Майкельсона и аналогичных ему в рамках ньютоновской механики. Однако все они оказались в конечном счете неудовлетворительными. Кардинальное решение этой проблемы было дано лишь в теории относительности Эйнштейна.