Из истории создания специальной теории относительности

Определения и обозначения

Эфир — гипотетическая среда, которой в XIX веке объясняли распространение света. Физики предполагали, что волне, как и звуку, нужна среда, хотя свет проходит и через вакуум. Поиски эфира сводились к попыткам найти его влияние на распространение света. Эта гипотеза помогала связать волновое представление о свете с тогдашними представлениями о движении.

Эфирный ветер — предполагаемое движение Земли относительно эфира. Если Земля движется сквозь эту среду, то свет, направленный вдоль движения и поперёк него, должен проходить разные расстояния за разное время. Такое различие пытались выявить измерениями. Термин обозначает не обычный ветер, а предполагаемый эффект движения относительно эфира.

Опыт Майкельсона — Морли — интерферометрический эксперимент, в котором сравнивали распространение света в разных направлениях. Интерферометр разделял световой луч на два, а затем сводил их, создавая интерференционные полосы. При повороте прибора ожидали заметить сдвиг полос из-за эфирного ветра. Предсказанного эффекта обнаружено не было, что заставило физиков искать другие объяснения.

Специальная теория относительности — теория, сформулированная Эйнштейном в 1905 году на основе принципа относительности и постоянства скорости света. Она описывает физические явления в инерциальных системах отсчёта — системах, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. Теория не требует выделенной системы, связанной с эфиром. Она изменила представления о пространстве и времени, показав их связь с движением наблюдателя.

Как это устроено

В XIX веке электродинамика быстро развивалась, а уравнения Максвелла описали электрические и магнитные явления как единую систему. Из этих уравнений следовало существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Свет стали понимать как электромагнитную волну, и возник вопрос: относительно чего определена её скорость? Поскольку знакомые волны распространялись в среде, многие физики предположили существование эфира, который заполняет пространство.

Если эфир существует и Земля движется относительно него, то наблюдатель на Земле должен испытывать действие эфирного ветра. Скорость света относительно прибора тогда могла бы зависеть от направления луча. Чтобы проверить это, требовалось сравнить время, за которое свет проходит разные пути, а не просто измерить его один раз. Взаимно перпендикулярные плечи интерферометра давали возможность сопоставить направления вдоль и поперёк предполагаемого движения Земли.

В опыте Майкельсона — Морли свет делили на два луча, направляли по плечам интерферометра, а затем снова соединяли. При наложении волн возникала интерференционная картина: светлые и тёмные полосы, положение которых зависит от разности времени прохождения лучей. Установку поворачивали, чтобы поменять направления плеч относительно предполагаемого эфирного ветра. Если времена меняются, картина должна сместиться; ожидаемого смещения не обнаружили.

Отсутствие ожидаемого эффекта не сразу привело к отказу от эфира. Учёные пытались объяснить результат, сохранив эфирную картину мира, и исследовали, как при движении должны меняться измеряемые величины. Лоренц разработал преобразования координат и времени, при которых уравнения электродинамики сохраняли нужный вид. Пуанкаре развивал эти идеи и обращал внимание на связь пространства, времени и движения, подготавливая концептуальную сторону новой физики.

Эйнштейн сделал иной шаг: он не стал искать скрытые причины, мешающие обнаружить эфир, а отказался от необходимости выделенной эфирной системы отсчёта. В 1905 году он положил в основу теории два принципа: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах, а скорость света в вакууме одинакова в них независимо от движения источника. Эти положения вместе называют постулатами специальной теории относительности. Из них следовало, что привычные представления об абсолютных пространстве и времени нужно пересмотреть.

Как складывались предпосылки специальной теории относительности

Таблица показывает, что теория возникла не в результате одного опыта: вклад внесли и исследователи электромагнетизма, и авторы эксперимента, и создатели математических идей. Читайте строки как этапы формирования проблемы и способов её решения. Особенно важно различать математическую работу Лоренца и физическое обоснование теории Эйнштейном.

Разбор задач

Почему движение Земли должно было влиять на измерения?

Условие. Сторонники эфира предполагали, что Земля движется относительно него. Объясните, почему это могло изменить измерения скорости света по взаимно перпендикулярным направлениям. Свяжите ответ с работой интерферометра.

1. Сначала представьте эфир как среду, относительно которой свет имеет определённую скорость. Если Земля движется относительно этой среды, то свет на приборе распространяется не в одинаковых условиях во всех направлениях.
2. Вдоль предполагаемого эфирного ветра движение света относительно прибора должно отличаться от движения поперёк него. Значит, на прохождение двух плеч интерферометра свету могло понадобиться разное время.
3. Разность времён меняет разность фаз волн, которые снова соединяются. Поэтому сторонники гипотезы ожидали сдвига интерференционных полос при повороте установки.

Ответ. Движение Земли относительно эфира, согласно этой гипотезе, меняло время прохождения света по плечам в разных направлениях. Это должно было вызвать сдвиг полос при повороте интерферометра.

Какой результат ожидали в опыте Майкельсона — Морли?

Условие. Интерферометр поворачивают, меняя ориентацию его плеч относительно предполагаемого эфирного ветра. Определите ожидаемый результат и фактическое наблюдение. Не делайте выводов шире, чем позволяет опыт.

1. Если эфирный ветер влияет на скорость света относительно прибора, после поворота плеч времена прохождения лучей должны измениться по-разному.
2. Изменение времён повлияло бы на взаимное положение световых волн. Следовательно, ожидаемым результатом был сдвиг интерференционных полос.
3. Сравните предсказание с наблюдением: такого ожидаемого смещения обнаружить не удалось. Это говорит об отсутствии предсказанного эффекта в опыте, но само по себе не доказывает окончательно, что эфира нет.

Ответ. Ожидали смещение полос при повороте прибора, но обнаруженного эффекта не было. Результат называют отрицательным относительно предсказания эфирной гипотезы.

Чем подход Эйнштейна отличался от сохранения эфира?

Условие. Сравните попытку объяснить результат опыта, сохраняя эфирную картину мира, с подходом Эйнштейна. Обоснуйте, почему его постулаты стали основанием новой теории.

1. В эфирной картине мира эфир оставался особой средой отсчёта. Чтобы объяснить отсутствие ожидаемого эффекта, приходилось вводить дополнительные предположения о поведении движущихся тел и измерений.
2. Эйнштейн исходил из принципа относительности: законы физики одинаковы в инерциальных системах. Второй постулат устанавливает одинаковую скорость света в вакууме во всех таких системах.
3. Эти положения не требуют скрытой системы, связанной с эфиром, и дают общую основу для описания движения и света. Поэтому речь идёт не о поправке к одной интерферометрической установке, а о новой теории пространства и времени.

Ответ. Сторонники эфира старались сохранить прежнюю модель, объясняя, почему ожидаемый эффект не виден. Эйнштейн построил теорию на принципе относительности и постоянстве скорости света, отказавшись от необходимости эфира.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что опыт Майкельсона — Морли окончательно доказал отсутствие эфира. Так думают, потому что в опыте не нашли предсказанного эффекта, но отсутствие одного ожидаемого результата не равнозначно доказательству отсутствия любой возможной среды. Проверяйте себя: формулируйте вывод точно — ожидаемый эфирный ветер обнаружен не был.

Неверно приписывать создание теории одному эксперименту или только Эйнштейну. Опыт поставил проблему, но к ней привели также развитие электродинамики и предшествующие работы Лоренца и Пуанкаре. Чтобы проверить себя, перечислите разные этапы: постановка вопроса, экспериментальные поиски, математические разработки и формулировка принципов теории.

Не следует смешивать преобразования Лоренца с уже готовой специальной теорией относительности Эйнштейна. Математические соотношения появились раньше, чем получили новое физическое истолкование в рамках теории. Проверка простая: различайте разработку математического аппарата и объяснение того, какие представления о пространстве и времени за ним стоят.

Ошибочно утверждать, что специальная теория относительности допускает произвольное изменение скорости света. Постулат говорит, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта. Путаница возникает, если смешивать скорость света с относительными измерениями времени и расстояния. При проверке ответа уточняйте, о какой системе отсчёта и каких условиях идёт речь.

Связь с другими темами

Для понимания истории теории нужно знать, что такое инерциальная система отсчёта и принцип относительности Галилея, а также иметь представление о распространении света. Основы электромагнетизма помогают понять, почему уравнения Максвелла поставили вопрос о природе световой волны и её скорости. Дальше эта тема ведёт к постулатам специальной теории относительности и преобразованиям Лоренца. На их основе изучают релятивистские представления о времени и пространстве.

Что запомнить

• В XIX веке свет часто представляли как волну, распространяющуюся в эфире.
• Гипотеза эфира предполагала, что движение Земли относительно него можно обнаружить.
• Опыт Майкельсона — Морли не выявил ожидаемого эффекта эфирного ветра.
• Лоренц и Пуанкаре внесли важный вклад в идеи и математический аппарат новой теории.
• В 1905 году Эйнштейн изложил специальную теорию относительности на основе двух постулатов.
• Создание теории стало результатом развития физики, а не только одного эксперимента.