Що таке теорія відносності? Частина 1. Швидкість світла.

Новий цикл науково-популярних текстів з фізики я вирішив присвятити теорії відносності. Цю теорію часто згадують в контексті, що вона ніби то “спростувала” фізику, яка була до неї. Тому я пропоную читачеві ознайомитися з тими питаннями, що змусили фізиків переглянути основні положення механіки Ньютона, та що з того вийшло.
В першій частині ми поговоримо про питання, пошук відповіді на які привів до необхідності вигадувати нову теорію.

Трохи про механіку Ньютона

На час створення механіки Ньютона, її інноваційність полягала в тому, що простір в ній присутній не як річ абсолютна, а лише як взаємне розташування об’єктів. Будь-який опис положення і руху фізичних тіл потребує системи відліку, що задається положенням одного чи кількох інших тіл.

Серед можливих систем відліку особливо цікаві ті, в яких тіла без дії сил не змінюють швидкості. Називаються вони інерційними системами відліку. Інерційних систем існує безліч, і в усіх однаково діють закони Ньютона.

Швидкість світла, відносно чого?

Про те, що світло не розповсюджується миттєво, фізики достовірно знали з астрономічних спостережень ще у 17 столітті. Але питання про існування деякої сталої швидкості світла вимагає уточнення, відносно чого її визначати.

Гіпотеза перша: швидкість світла є сталою відносно тіла, що його випромінює. В такому разі час подорожі світла від, на приклад, супутника якоїсь далекої планети до нас залежав би від фази його обертання. Але астрономічні спостереження вказують на відсутність такого явища.

Друге припущення, яке можна було б висунути – це існування якоїсь однієї інерційної системи відліку, в якій би швидкість світла була сталою, а в усіх інших вона би визначалася за правилом додавання швидкостей. Таким чином має з’явитися “обрана” система відліку, хоча раніше постулювалася цілковита рівноправність всіх інерційних систем. Невже фізикам доведеться змінити свої уявлення про простір?

Припускати, що “обрана” система відліку може бути прив’язана до нашої Землі, чи Сонця, не можна.

Нам відомо, що Земля обертається навколо власної осі та Сонця, Сонце обертається навколо центру Галактики. Цього досить, щоб сподіватися чималої швидкості Землі в “абсолютному” просторі.

В такому разі експериментально на Землі можна буде спостерігати різницю швидкості світла в різних напрямках. Такий експеримент провели Майкельсон та Морлі. Для вимірювання вчені використали інтерферометр достатньо великого розміру, який міг обертатися. Цей прилад дозволив поміряти різницю швидкості світла з похибкою набагато меншою, ніж швидкість обертання Землі навколо Сонця. Однак виявилося, що швидкість світла в усіх напрямках однакова. Науковці пояснили експеримент так, що швидкість світла в усіх інерційних системах відліку є однаковою. Таку дійсність класична фізика описати не може.

Катастрофа? Не думаю.

Слід зазначити, що результати цього досвіду в жодному разі не призвели до повного спростування “старої фізики”, оскільки існує багато досліджених наукою явищ, які Ньютонівська фізика чудово описує. Цей експеримент лише показав, що існують обмеження на дію законів Ньютона. Вони працюють, коли тіла рухаються набагато повільніше за світло. Погодьтеся, в нашому повсякденному житті така ситуація зустрічається досить часто 🙂

Про теорію, яка описує також більш швидкий рух, ми поговоримо в другій частині. Читати далі

Що почитати по темі:

• Китайгородский А.И., “Физика для всех. Фотоны и ядра”, Издательство “Наука” (1982), Глава 4. “Обобщения механики”
• Кобушкин В.К., “Минимальная физика”, Раздел IV “Теория относительности”
• Сивухин Д.В., “Общий курс физики. Том IV. Оптика”, Глава III §35 “Интерферометр Майкельсона”