Проблемы и постулаты
Летом 1905 г. Эйнштейн публикует небольшую работу «К электродинамике движущихся тел», формулируя свой исходный постулат следующим образом:
«...Не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя...»
Все физические процессы описываются как происходящие в системах, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно (инерциальных), при этом все эти системы рассматриваются как равноправные. Поезд движется относительно перрона или перрон относительно поезда - все описания движения остаются одинаковыми. Ни одна система не является привилегированной и ни один наблюдатель в системе не может определить, движется он «на самом деле» или неподвижен. Этот постулат получил наименование «принципа относительности» и, как мы видели, в основе своей восходит еще к Галилею.
К нему примыкает второй постулат, на первый взгляд несовместимый с только что сформулированным:
«Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью, не зависящей от состояния движения излучающего тела».
Оба постулата составили основу специальной теории относительности (СТО).
Если же говорить проще, то Эйнштейн вводит для естественнонаучного мышления два фундаментальных ограничения или даже запрета. Он запрещает постулировать любые абсолютные пространственно-временные системы отсчета и определять абсолютное положение наблюдателя в пространстве-времени.
Второй запрет накладывает табу на все попытки представить скорость света больше или меньше константной. Если первый постулат решал в большей степени проблемы электромагнитной теории, то второй прямо затрагивал основы теории механического движения - всем хорошо знакомой теории Галилея - Ньютона.
Парадоксы и апории возникают при первых попытках осмыслить механическое движение в контексте постоянства скорости света в вакууме. С одной стороны, уравнения Максвелла запрещают распространение электромагнитного сигнала со скоростью больше скорости света. Но почему этот формальный запрет так важен и имеет такое значение?
Дело в том, что есть и еще одно важное соображение относительно скорости света и ее величины. Если бы скорость света в вакууме изменяла бы свое значение больше константной или если бы во Вселенной существовали бы скорости больше световой, то разом нарушились бы фундаментальные научные принципы, в том числе и принцип причинности, а будущее получило бы возможность вернуться в настоящее в случае, если мы догоним пролетевший мимо нас несущий некую информацию световой сигнал.
У ученых был выбор - отказаться от инвариантности скорости света или пожертвовать рядом куда более фундаментальных положений, лежащих в основании научного знания.
Для дальнейшего изложения нам понадобятся мысленные эксперименты в достаточно большом количестве. Представим себе локомотив, движущийся относительно полотна со скоростью V. К локомотиву прицеплен вагон, внутри которого находятся два наблюдателя: один в начале вагона, другой - в конце. Наблюдатели посылают в направлении друг друга световые сигналы с начальной скоростью с и измеряют скорости распространения данных сигналов. Предположим (хотя в реальности мы таких скоростей никогда не наблюдали) для простоты расчетов, что скорость локомотива и вагона V х = 100 000 км/с, но это значение наблюдателям пока неизвестно. Значение с нам известно из электромагнитной теории. Первый наблюдатель фиксирует скорость луча света, направленного в голову вагона из конца состава: (с + К) или 400 000 км/с. Второй наблюдатель измеряет скорость луча, направленного в конец вагона: (с - V) или 200 000 км/с.
Пока оставим тот факт, что скорость света относительно двух наблюдателей оказалась: а) разной; б) больше или меньше константного значения с. Предположим, что мы опираемся не на постулаты Эйнштейна, а на результаты эмпирической проверки конкретных измерений скорости света, которые на начало XX в. нельзя было считать абсолютно и строго достоверными, в том числе и из-за несовершенства измерительного оборудования. Обратим внимание на то, что зная значение с (в данном случае, как начальная скорость кванта света, фотона), сравнивая получившиеся конечные значения скоростей сигналов наблюдатели с легкостью могут высчитать скорость вагона. Возникает вопрос - скорость вагона относительно чего? По всему выходит, что наблюдатели получили скорость «вообще» или абсолютную скорость. Но если кто-то смог высчитать абсолютную скорость, то в таком случае возможен и абсолютный покой?
Эйнштейновские постулаты разрубают приведенный парадокс, словно меч Александра гордиев узел. Скорость света не может быть больше с ни при каких обстоятельствах! Не может быть ни абсолютного движения, ни абсолютного покоя! Заставим мысль действовать строго в рамках этих постулатов - и вся парадоксальность разом исчезнет...
Источник: bstudy.net