§ 1.7. Как физика приближалась к теории относительности.

Очень полезно с точки зрения современной физики проследить за тем, как давали себя знать релятивистские эффекты задолго до построения специальной теории относительности. Этот параграф не претендует на исторический очерк (ближе к нему Дополнение II), но нредназпачеп облегчить понимание двух следующих параграфов, где изложены, по существу, первые принцины теории.

Безусловно, первым шагом на пути к созданию специальной теории относительности было открытие принципа относительности для явлений механики Галилеем.

Возпикает естественный вопрос: почему Галилей ограничил свой нрннцип только механикой? Ответ на него прост: во времена Галилея ничего того, что мы называем «другими разделами физики», просто не существовало. Механика практически представляла собой всю физику. Если еще учесть то, что чуть ли не до конца

XIX века пытались все физические явления объяснить на основе механики, то станет ясно, что принцип относительности, сформулированный Галилеем, охватывал в свое время «всю физику».

Следующий важный этап на пути к теории относительности — установление конечности скорости света. Этот вывод был сделай на основе астрономических наблюдений Ремером (1676 г.). До Ремера считалось, что скорость распространения света бесконечна.

Принцип относительности Галилея мог быть выражен в математической форме после того, как были записаны уравнения механики (Ньютон, «Математические начала натуральной философии», 1687 г.). Так как основными переменными в уравнениях механики являются координаты и время, то для преобразования уравнепий механики при переходе от одной системы отсчета к другой, находящейся относительно первой в движении, нужны формулы преобразования координат и времени при таком переходе. Из принципа относительности Галилея вытекало, что соответствующее преобразование координат и времени должно оставлять форму закопов Ньютопа неизменной (§ 1.4). Эти преобразования — преобразования Галилея.

В 1851 г. в Парижском Пантеоне был поставлен опыт Фуко с маятником, наглядно продемонстрировавший вращение Земли и указавший инерциальную систему отсчета (§ 1.5). Собственно, на этом опыте можно было бы закончить то, что из мехапики имеет прямое отношение к теории относительности.

Принцип относительности Галилея, законы Ньютона и преобразования Галилея тесно связаны между собой. Прямым следствием преобразований Галилея является классическая формула преобразования скоростей (1.4): . В 1851 г. Физо поставил опыт, который ясно показал, что эта формула справедлива не всегда. Опыт Физо с движущейся водой схематически состоял в следующем. В системе отсчета К со скоростью V по трубке текла вода; определялась скорость света в воде. Мы можем (чисто кинематически) рассуждать так. Свяжем с движущейся водой инерциальную систему К. В этой системе скорость света определяется известным соотношением , где — показатель преломления воды. Чтобы пайти скорость света в системе К, нужно просто применить формулу (1.4), тогда мы получим . Результат же Физо (подтвержденный также современными измерениями) был

Отсюда видно, что классическая формула (1.4) в данном случае несправедлива. И именно это мы хотели подчеркнуть. Что касается подробностей проведения опыта и современного его истолкования, то все это можно найти в § 3.6.

Для теории относительности очень важную роль сыграла теория Максвелла (1856-1873 гг.; теория была сформулирована в нескольких больших статьях; затем уже появился двухтомный «Трактат»). Это была первая полевая теория, в которой взаимодействие передавалось с конечной скоростью — скоростью распространения поля. Для этой скорости теория давала вполне определенное значение, в частности, для вакуума она была равна , где и — электрическая и магпитная постоянные. Конечно, сразу возник вопрос, удовлетворяется ли принцин относительности; другими словами, сохраняют ли свой вид уравнения Максвелла при преобразованиях Галилея. Нетрудно проверить, что преобразования Галилея изменяют вид уравнений Максвелла. Отсюда возникло подозрение, что принцип относительности не распространяется на динамику. Нужно было, чтобы прошло несколько десятков лет, чтобы выяснилось, какое «чудо» представляет собой теория Максвелла. Ничего не зная и не подозревая о теории относительности, Максвелл построил теорию, полностью удовлетворяющую ее требованиям.

Теперь, когда мы хорошо знаем, где можно было «почувствовать влияние теории относительности, петрудно вернуться мысленно к нужным фактам. Теория относительности дает себя знать, когда скорости тел приближаются к скорости света в вакууме (про такие скорости говорят, что они релятивистские). Но макроскопических тел, обладающих релятивистскими скоростями, не существует. Лишь микрочастицы могут обладать скоростями, близкими к скорости света. Первой известной микрочастицей оказался электрон (Томсон, 1894-1896 гг.). Томсон определил экспериментально отношепие заряда электрона к его массе. Его оныты производились на разрядных трубках, где скорости электронов далеки от скорости света. Но в 1896 г. была обнаружена естественная радиоактивность. Среди испускаемых радиоактивным веществом излучений оказался и ноток электронов (они были вскоре отождествлены с электронами в разрядной трубке). Скорости этих электронов оказались уже близкими к скорости света. Когда Кауфман в 1902 г. исследовал движение таких электронов в электрическом и магнитном полях, то выяснилось, что классическое уравнение движения (второй закон Пыотона) описывает их движение неправильно. Так впервые было обнаружено отклонение от ньютоновских законов.

Подводя итоги, можно сказать, что к началу XX века стало ясно, что ньютоновская механика, преобразования Галилея справедливы не всегда, а самые быстрые из известных сигналов — световые — передаются с конечной скоростью.

Хотя макроскопических объектов, движущихся с релятивистской скоростью, не существует, иод руками у людей всегда был релятивистский объект — свет. И, естественно, очтические

эксперименты сыграли важную роль в истории СТО: с истолкованием оптических экспериментов связано возникновение гипотезы о наличии «светопосной среды». Отказ от этой гипотезы стоил пемалых усилий, но сейчас вспоминать о ней стоит лишь как о странице в истории физики (см. Дополнение II).