Экспериментальные основания специальной теории относительности

После тщательной проверки опыта Майкельсона и некоторых других опытов, не обнаруживших эфирного ветра, положение теории Лорентца стало непрочным. Теория эта отрицала в своём основном положении принцип относительности и исходила из утверждения возможности установления абсолютной системы отсчёта. Она вынуждена была прибегнуть к гипотезе контракции, которая объясняла неудачу попытки обнаружения абсолютного характера движения Земли наличием случайно компенсирующихся эффектов. Это обстоятельство явилось слабым звеном теории.

А. Эйнштейн (1905 г.) пересмотрел всю проблему, поставив её совершенно по-новому.

Многочисленными опытами (в первую очередь опытом Майкельсона) была установлена невозможность рассматривать движение Земли как движение относительно абсолютной системы координат, каковой является неподвижный эфир. Эйнштейн обобщил этот основной экспериментальный факт и сформулировал его в виде постулата. Таким образом, первый постулат теории Эйнштейна есть принцип относительности электродинамики и оптики. Согласно принципу относительности явления во всех инерциальных системах отсчёта протекают одинаково.

Вторым постулатом своей теории Эйнштейн выбирает принцип постоянства скорости света в вакууме, согласно которому скорость света в вакууме не зависит от движения источников или приёмников и есть универсальная постоянная с. Этот принцип также является экспериментальным положением.

Два основных постулата Эйнштейна - принцип относительности и принцип постоянства скорости света - составляет базу теории относительности.

Рис. 9.8. Схема, иллюстрирующая кажущееся противоречие между постулатами теории относительности

Эти постулаты находятся в кажущемся противоречии между собой. Вообразим себе опыт. Две системы К и К' движутся друг относительно друга (вдоль оси х) со скоростью υ (рис. 9.8). Пусть в момент t=0, когда начало координат О и О' совпадают, возникает световая вспышка и световая волна распространяется в пространстве. Согласно второму постулату скорость света как в первой, так и во второй системе координат одна и та же (с). С другой стороны, вид световой волны должен быть идентичен как в первой, так и во второй системе (первый постулат). Другими словами, к моменту t световая волна должна быть представлена сферой с радиусом ct, имеющий центр как в точке О, так и в точке О', что явно невозможно, так как эти точки разойдутся к этому моменту на расстояние υt.

Причина возникшего недоразумения лежит, однако, не в противоречии между двумя заимствованными из опыта положениями (принцип относительности и принцип постоянства скорости света), а в допущении, что положение фронтов сферических волн для обеих систем относится к одному и тому же моменту, т.е. что от момента вспышки до момента, в который рассматривается положение волновых фронтов для обеих систем отсчёта, протекли одинаковые промежутки времени. Это допущение заключено в формулах преобразования Галилея, согласно которым t=t' и, следовательно, Δt=Δt'. Однако справедливость преобразований Галилея не доказана.

Разобранный пример показывает, что постулаты Эйнштейна находятся в противоречии не друг с другом, а с формулами преобразования Галилея.