§ 6. Принцип относительности Эйнштейна

Из закона сложения скоростей (9) естественно сделать следующий вывод: если система отсчета равномерно движется относительно со скоростью и если свет в системе распространяется со скоростью с, то в системе его скорость должна быть равна в направлении движения системы и — в противоположном направлении. Однако в 1881 г. американским физиком А. Майкельсоном было экспериментально установлено, что на движущейся Земле солнечный свет распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях.

После попыток многих ученых как-то согласовать результаты опытов Майкельсона с теорией, в 1905 г. была опубликована фундаментальная работа А. Эйнштейна, в которой излагалась новая теория пространства и времени так называемая специальная теория относительности. Мы рассмотрим здесь только самые основные, простейшие понятия этой теории.

В основу теории Эйнштейна был положен закон постоянства скорости света во всех инерциальных системах отсчета.

Таким образом, принцип относительности Галилея состоит в невцзможности установить равномерное движение одной механической системы относительно другой с помощью каких-либо механических экспериментов внутри этой системы. Принцип относительности Эйнштейна утверждает, что это невозможно сделать, исходя не только из механических, но также и из каких-либо оптических явлений (связанных, как известно, с электромагнетизмом).

Но приняв закон постоянства скорости света, Эйнштейн вынужден был отказаться от предположения о существовании абсолютного времени, годного для измерения временных интервалов сразу во всех инерциальных системах отсчета.

То, что эта относительность времени с необходимостью вытекает из закона постоянства скорости света,

можно видеть на следующем простом примере. Представим себе очень большой по линейным размерам поезд, скорость которого сравнима со скоростью света («поезд Эйнштейна»). Пусть в этом поезде у окна находится наблюдатель, который в некоторый момент времени зажигает фонарик, испускающий луч света в потолок. На потолке имеется зеркало, отразившись от которого, луч возвращается к наблюдателю. Путь луча света с точки зрения этого наблюдателя — дважды проходимый отрезок (рис. 23, а). Для наблюдателя же, находящегося вне поезда, путь луча света представится в виде ломаной линии, состоящей из боковых сторон равнобедренного треугольника высота которого равна (рис. 23, б). Следовательно, путь, проходимый светом, с точки зрения наблюдателя вне поезда, больше, чем для пассажира поезда.

Рис. 23.

А так как скорость света постоянна, то время, которое потребуется свету на этот путь по часам наблюдателя вне поезда, будет больше, чем для пассажира поезда: часы внутри поезда отстают по сравнению с часами на станции.

Закон постоянства скорости света делает относительным и понятие одновременности, что хорошо видно на другом примере. Предположим, что в центре вагона того же поезда Эйнштейна находится наблюдатель, который в некоторый момент времени зажигает фонарик. В дверях вагона имеется механизм, благодаря которому двери открываются, как только до них доходит свет. Наблюдатель в центре вагона увидит, что задняя и передняя двери открываются одновременно. С точки же зрения наблюдателя вне поезда передняя дверь вагона уходит

от светового луча, тогда как задняя идет к нему навстречу. Ввиду постоянства скорости света, с точки зрения наблюдателя вне поезда свет достигает задней двери вагона раньше, чем передней, и она откроется раньше.

Более того, даже последовательность событий может быть разной и для этих двух наблюдателей. Так, если, (например, из-за неисправности механизма дверей) задняя дверь откроется несколько позже, чем на нее попадет свет, то, если эта разница во времени достаточно мала, наблюдатель вне поезда все-таки увидит задню дверь открывающейся раньше, чем передняя, хотя для наблюдателя в центре вагона последовательность этих событий будет обратной.