1. Принцип відносності Ґалілея
2. Чи можна поширити принцип відносності на всі фізичні явища?
3. Основні положення спеціальної теорії відносності
1. ПРИНЦИП ВІДНОСНОСТІ ҐАЛІЛЕЯ
Ви вже знаєте, що рух є відносним: рух будь-якого тіла можна розглядати тільки відносно якогось іншого тіла (тіла відліку).
Для опису руху і взаємодії тіл зазвичай вибирають інерці-альну систему відліку, оскільки тільки в такій системі зміна швидкості тіла зумовлена дією на нього інших тіл.
Інерціальних систем відліку існує безліч, причому
в усіх інерціальних системах відліку всі механічні явища протікають однаково (за однакових початкових умов).
Це положення вперше сформулював Ґалілей, тому його називають принципом відносності Ґалілея.
От як образно пояснював принцип відносності сам Ґалілей:
«Усамітніться з ким-небудь із друзів у просторому приміщенні під палубою якогось корабля, запасіться мухами, метеликами та іншими дрібними літаючими комахами; нехай буде у вас там також велика посудина з водою і маленькими рибками, що плавають у ній; підвісьте, крім того, угорі відро, з якого вода крапля за краплею капатиме в іншу посудину з вузьким горлечком, підставлену внизу.
Поки корабель стоїть нерухомо, спостерігайте ретельно, як комахи з тією самою швидкістю рухаються навсібіч у приміщенні; риби, як ви побачите, плаватимуть однаково в усіх напрямах; усі падаючі краплі потраплять у підставлену посудину, і вам, кидаючи другу будь-який предмет, не доведеться кидати його з більшою силою в один бік, чим в інший, якщо відстані будуть ті самі; і якщо ви стрибатимете відразу двома ногами, то зробите стрибок на однакову відстань у будь-якому напрямі. Ретельно спостерігайте все це,
хоча у вас не виникає жодного сумніву в тому, що, поки корабель стоїть нерухомо, усе має відбуватися саме так.
Змусьте тепер корабель рухатися з будь-якою швидкістю, і тоді (якщо тільки рух буде рівномірним і без хитавиці) ви не знайдете ані найменшої зміни у всіх названих явищах і тому з жодного з них не зможете встановити, рухається корабель чи стоїть нерухомо... І причина узгодженості всіх цих явищ у тому, що рух корабля загальний для всіх предметів, що є в ньому, так само як і для повітря: тому-то я й сказав, що ви маєте перебувати під палубою...*
З принципу відносності Ґалілея випливає, що не існує якоїсь одної виділеної системи відліку, яку можна було б назвати «такою, що перебуває у спокої»: усі інерціальні системи відліку цілком рівноправні.
А це означає, що швидкість будь-якого тіла відносна: її можна визначити тільки відносно якогось іншого тіла. Наприклад, фраза «ракета летить зі швидкістю 10 км/с* позбавлена сенсу, якщо не зазначено, відносно якого тіла (наприклад, планети чи іншої ракети) рухається наша ракета.
А тепер згадаємо, що рухаються не тільки тіла — ви вже знаєте, що рухаються й хвилі, наприклад звукові. Чи є швидкість звуку теж відносною? І якщо так, то відносно чого її визначають?
Швидкість звуку визначають відносно середовища, у якому він поширюється. Наприклад, коли говорять, що швидкість звуку в повітрі дорівнює 340 м/с, мають на увазі швидкість звуку відносно повітря.
Уявімо собі закритий вагон, що мчить зі швидкістю
30 м/с. У протилежних кінцях вагона сидять двоє чоловіків, які голосно розмовляють один з одним. Відносно вагона звук поширюється в обидва боки з однаковою швидкістю, що дорівнює 340 м/с, тому що повітря у вагоні перебуває у спокої відносно вагона. Однак відносно людини на платформі, повз яку мчить цей вагон, швидкість звуку у вагоні в різних напрямах різна! Із закону додавання швидкостей випливає, що в напрямі руху вагона звук усередині вагона рухається зі швидкістю 370 м/с, адже до швидкості звуку в повітрі, яке перебуває у спокої, додається швидкість вагона. Зате в протилежному напрямі звук рухається
31 швидкістю всього 310 м/с, бо тепер швидкість вагона віднімається від швидкості звуку в повітрі, яке перебуває у спокої.
2. ЧИ МОЖНА ПОШИРИТИ ПРИНЦИП ВІДНОСНОСТІ НА ВСІ ФІЗИЧНІ ЯВИЩА?
У багатьох фізиків виникало запитання: а чи можна поширити принцип відносності на всі фізичні явища, не обмежуючись тільки механічними? Чи можна, наприклад, поширити його і на електромагнітні явища? Досліди безперечно вказували на те, що це так: взаємодії електричних зарядів і електричних струмів у різних інерціальних системах відліку були абсолютно однаковими.
Однак при цьому залишалася одна дуже важлива проблема. Вона стосувалася поширення світла.
Англійський фізик Дж. Максвелл теоретично довів, що світло являє собою електромагнітну хвилю, і надалі це підтвердив на досліді німецький фізик Г. Герц. Однак з теорії електромагнітних явищ, побудованої Максвеллом, випливало, що швидкість світла у всіх системах відліку має бути однаковою! Іншими словами, відповідно до теорії Максвелла швидкість світла була не відносною, як швидкості всіх тіл, а абсолютною!
Фізики вирішили перевірити цей дивний висновок з теорії Максвелла на досліді. І досліди підтвердили, що швидкість світла в різних системах відліку дійсно є однаковою! Першими поставили такий дослід американські фізики А. Майкельсон та Е. Морлі наприкінці 19-го століття. Вони порівняли швидкість світла, що поширюється в напрямі руху Землі по її орбіті й у протилежному напрямі. Точність експерименту була достатньою для того, щоб «відчути* збільшення або зменшення швидкості світла на величину швидкості руху Землі (ЗО км/с), подібно до того, як спостерігач на платформі, повз яку мчиться вагон, уловив би різницю швидкості поширення звуку по ходу вагона й у протилежному напрямі. Однак усі досліди переконливо показували, що світло у вакуумі поширюється завжди з однаковою швидкістю (приблизно 300 000 км/с).
3. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ СПЕЦІАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ
Установлена на досліді незалежність швидкості світла від вибору системи відліку позбавляла фізиків, здавалося, будь-якої надії на узагальнення принципу відносності: адже відповідно до принципу відносності швидкість не
може бути абсолютною! Але в той самий час досліди безперечно вказували на те, що всі явища — у тому числі й електромагнітні — протікають у всіх інерціальних системах відліку однаково!
Вирішити цю проблему на початку 20-го століття намагалися багато знаменитих фізиків. Але вдалося це не маститому вченому, а нікому не відомому молодому скромному службовцю патентного бюро у швейцарському місті Берні. Звали його Альберт Ейнштейн1.
Коли він став всесвітньо визнаним ученим, Ейнштейн так пояснював те, що відкриття зробив саме він: «Усі знають, що це неможливо. Але от приходить невіглас, який про неможливість не знає, — він і здійснює відкриття». Ейнштейн скромничав, тому що насправді саме він, який назвав себе «невігласом», глибше за всіх проаналізував проблему. Це й дало йому змогу знайти розв’язання — настільки несподіване, що далеко не всі вчені одразу прийняли його теорію.
Ейнштейн узяв установлені на досліді факти за основні положення теорії, названої згодом спеціальною теорією відносності.
Ці положення називають постулатами теорії відносності. От вони:
1. У всіх інерціальних системах відліку всі фізичні явища протікають однаково.
2. Швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інерціальних системах відліку.
Перший постулат називають принципом відносності Ейнштейна, щоб відрізнити його від принципу відносності Ґа-лілея, що стосується не всіх фізичних, а тільки механічних явищ.
Ейнштейн ретельно розглянув, до яких наслідків приводять зазначені постулати, засновані на результатах дослідів. Наслідки ці виявилися дуже незвичайними, однак вони не суперечили жодним відомим дослідам, А наступні досліди цілком підтвердили всі передбачення Teofjif відносності — у тому числі й ті, які спочатку здавалися дуже дивними.
У наступному параграфі ми розповімо про деякі наслідки теорії відносності. Вони вплинули на весь наступний розвиток фізики і навіть на хід світової історії.
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
Принцип відносності Ґалілея: у всіх інерціальних системах відліку всі механічні явища протікають однаково (за однакових початкових умов).
Постулати спеціальної теорії відносності: 1) у всіх інерціальних системах відліку всі фізичні явища протікають однаково; 2) швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інерціальних системах відліку.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Сформулюйте принцип відносності Ґалілея.
2. Чому фраза «Швидкість катера 25 км/год» без будь-яких доповнень недостатньо точна? Як її уточнити?
3. Скільки існує інерціальних систем відліку?
4. Чому однаковість швидкості світла не узгоджується з принципом відносності Ґалілея?
5. Чи залежить швидкість світла від вибору системи відліку?
6. Чому закони електродинаміки суперечать принципу відносності Ґалілея?
7. Сформулюйте принцип відносності Ейнштейна.
8. Сформулюйте другий постулат спеціальної теорії відносності.
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев