Глава 2. ПОСТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА. ИНТЕРВАЛ МЕЖДУ СОБЫТИЯМИ. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛОРЕНЦА

§ 2.1. Постулаты Эйнштейна.

Конец предыдущей главы был посвящен разъяснению двух основных положений СТО, называемых постулатами Эйнштейна. Ввиду их важпости мы еще раз повторим их с некоторыми комментариями.

Постулат I. Все тождественные физические явления в инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных условиях протекают одинаково. Другими словами, среди ИСО не существует «привилегированной» системы и певозмолшо обнаружить состояние абсолютного движения.

Этот постулат распространяет принцип относительности Галилея на все явлепия природы. Он раз навсегда кончает с абсолютным пространством: если все инерциальные системы отсчета равноправны, то среди них нет привилегированной системы отсчета. Абсолютное же нрострапство как раз и было привилегированной системой. Точно так же отпадает и вопрос об «абсолютном» движении (в вакууме), которое подразумевалось как двшкепие относительно абсолютной системы отсчета (ср. § 1.6).

Постулат II. Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям и в любой области данной инерциальной системы отсчета и одинакова во всех инерциалъных системах отсчета.

Часто к этому постулату добавляют еще, что скорость света в вакууме не зависит от скорости источника. Это, однако, сразу следует из постулата II в той форме, в которой он выписан выше. Действительно, с источником всегда можно связать инерциальную систему отсчета (если он движется неравномерно и по кривой, то мгновенпо сопутствующую инерциальную систему). В этой системе источник покоится, а все остальные инерциальные системы движутся относительно него (а он относительно них). Согласно постулату II скорость света во всех этих системах одинакова, по это и означает, что она не зависит от скорости источника. Что касается движения наблюдателя, то в вакууме существенна лишь относительная скорость источника и наблюдателя, и поэтому предыдущее рассуждение исчерпывает вопрос.

Следует четко понимать, что подразумевает постулат II. Для этого представим себе, что в системе К измеряется скорость света следующим образом. Из точки в момент времени посылается вдоль оси х световой сигнал, который приходит в точку в момент времени Тогда Эти же два события —

посылка и прием сигнала — рассматриваются из системы К. Посылка сигпала для наблюдателя из системы К происходит в точке в момент а прием — в точке в момент . И несмотря на то, что системы находятся в относительном движении, направленном как раз по общей оси х, х’, мы должны получить, что отношение тоже равно с. С точки зрения «здравого смысла» такого быть не должно (парисуйте для себя схему опыта). Но именно этого требует второй постулат.

Мы сформулировали постулат II, по существу, так, как это было сделано в работе Эйнштейна 1905 г. Однако в папте время, вероятно, целесообразнее формулировать ого иначе. А именно исходить из того, что в природе существует предельная скорость передачи сигнала (взаимодействия). Это — главное утверждение. Далее полагают, что этой предельной скоростью является скорость электромагнитных волп (света) в вакууме. Последнее утверждение не является обязательным — в принципе СТО не утратила бы смысла, если бы предельная скорость оказалась иной, но в СТО используется именно это предположение. Из того, что скорость света в вакууме является предельной скоростью передачи взаимодействий, непосредственно вытекает, что она должна иметь одно и то же значение во всех ИСО (ср. § 1.9)

После того как сформулированы первые принципы теории относительности — два постулата Эйнштейна, — можно сформулировать общую задачу специальной теории относительности. Ее основа — это принцип относительности: равноправие всех инерциальных систем отсчета по отношению ко всем физическим явлениям. Теория относительности обязана дать такое описание физических явлений, которое было быодипаковым во всех инерциальных системах отсчета. Но если в нашем распоряжении есть уравнения, описывающие ту или иную группу явлений, то эти уравнения должны иметь одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета (в каждой системе отсчета в своих переменных). Вспомним, что в уравнения механики и электродинамики существенным образом входят коордипаты и время наступления события. При переходе от одной инерциальной системы к другой координаты и время наступления события преобразуются. Преобразования Галилея изменяют вид уравнений Максвелла, но, поскольку мы хотим сохранить уравнения Максвелла, как правильные уравнения электромагнитного поля, во всех инерциальных системах, нам следует найти такие преобразования координат и времени, которые сохраняют вид максвелловских уравнений. Такими преобразованиями окажутся преобразования Лоренца.

Однако преобразования Лоренца непосредственно вытекают и из постулатов Эйнштейна. Дело в том, что теория Максвелла была построена с самого начала как релятивистская. Внутренняя причина этого состоит в том, что она содержала в себе правильное описание свойств самого релятивистского объекта — света.

Таким образом, найдя преобразования координат и времени события, удовлетворяющие постулатам Эйнштейна, мы должны

позаботиться о том, чтобы основные уравнения физики были одинаковыми во всех инерциальных системах, т. е. были бы ковариантными по отношению к этим преобразованиям. Смысл термина «ковариантный» будет разъяснен в § 4.3. Сейчас же необходимо остановиться на том, что значит «основные уравнения» физики.

Основными закопами в механике мы называем уравнения Ньютона, в электродинамике — уравнения Максвелла, в термодинамике — уравнения, выражающие первое и второе начала.

Относительные величины были и в классической физике — например, скорости, координаты, направления скоростей, — но специальная теория относительности добавляет к ним — несколько неожиданно для нашей интуиции — относительность промежутков времени между событиями и относительность длин масштабов (расстояний). Однако это и есть та «цепа», которую приходится платить за то, чтобы реализовать принцип относительности по отношению ко всем физическим явлениям.

И все же самое главное в теории относительности, вопреки ее названию, — это совсем не относительность различных величин, т. е. их зависимость от выбора системы отсчета. Суть теории относительности как раз в обратном. Теория относительности показывает, что законы природы в инерциальных системах отсчета не зависят от выбора системы отсчета, не зависят от положения и движения наблюдателя, а результаты измерений в различных системах отсчета могут быть сопоставлены. Говоря философским языком, теория относительности подчеркивает объективный характер законов природы, а вовсе не относительность знания.

Конечно, пытаться изменить исторически сложившееся название — кстати, оно принадлежит не Эйнштейну, а было предложено Планком в 1906 г. — дело безнадежное. Однако есть одна деталь, на которую можно обратить внимание. Спорят, как правильно говорить: «специальная» или «частная» теория. Едва ли этот спор имеет существенное значепие. По смыслу речь идет об ограничении теории рамками инерциальных систем отсчета. По существу это ограничение сводится к тому, что теория справедлива в отсутствие полей тяготения или — практически — в слабых полях тяготения. Поэтому самым правильным пазванием было бы название «ограниченная теория относительности», принятое во французской литературе.

Хотя постулаты Эйнштейна являются первыми принципами теории относительности, все же их недостаточно для ее построения. Принципиально важным для теории служит построение релятивистской системы отсчета, к чему мы и переходим.