Лекция 3. Релятивистская механика
Основная цель данной главы состоит в обеспечении понимания студентом концептуального устройства релятивистской механики. В результате изучения материала данной главы студент должен:
знать
• основные концепты релятивистской механики и способы управления ими;
• принципы инвариантности и максимальной скорости передачи взаимодействий, понятия одновременности, интервала, пространства- времени;
уметь
• определять место любого концепта в составе релятивистской механики;
• давать любому феномену концептуальное истолкование;
• давать динамическое объяснение происходящих явлений;
владеть
• концептуальным осмыслением актуальных проблемных ситуаций, связанных с истолкованием концептов релятивистской механики;
• критическим отношением к воззрениям различных авторов;
• философским аппаратом, необходимым для интерпретации релятивистской механики.
Ключевые слова: принцип инвариантности максимальной скорости передачи взаимодействий, понятия относительной одновременности, пространства-времени и интервала.
Клубок проблем в поисках гармонии электродинамики
В механике Ньютона используются понятия силы и энергии. Но механизм взаимодействий не получает детального объяснения. Взаимодействие тел по большей части рассматривается как их столкновение. Сам Ньютон испытывал неподдельный интерес к гравитационным явлениям. Но он также был не в состоянии объяснить механизм гравитационного взаимодействия. В его времена о гравитационном поле рассуждали в основном в сугубо гипотетическом плане. Неясно было, например, каким образом Земля и Луна притягивают друг друга. В XVIII–XIX вв. явно нарастала необходимость уяснить механизм физических взаимодействий с учетом их не только макро-, но и микроприроды. При этом основные импульсы исходили не столько от теории гравитации, сколько от теории электромагнитных явлений, столь продуктивно изучавшихся Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом.
Они оба использовали понятие поля, т.е. среды, воздействующей на физические тела, например, на заряженные предметы. И поле и тела признавались физическими объектами, но принципиально различной природы. Тела по определению обладают ярко выраженными угловыми размерами, протяженностями и длительностями. Поле же вездесуще, оно повсюду. Часто выражаются таким образом: есть вещество и поле. Такое различение нельзя назвать ясным. Если под вещественностью понимать наличие массы, то она не чужда и полю. Автор предпочитает сопоставлять с полем тела. В отличие от поля тела представляют собой физические объекты с отчетливо выраженной конденсацией. Поле имеет более "летучий" характер, о котором впереди большой разговор.
В 1865 г. Максвеллу удалось представить основные закономерности электромагнитного поля в виде четырех уравнений. Их физический смысл состоял в следующем:
1) электрические заряды порождают электрическое поле;
2) не существует магнитных зарядов;
3) токи и изменения электрического поля во времени вызывают магнитное поле;
4) изменение магнитного поля вызывает электрическое поле.
Новая теория, как правило, приводит к неожиданным результатам. Так случилось и с электродинамикой Максвелла. Один из них состоял в том, что скорость света (с) как электромагнитного процесса оказалась связанной с двумя постоянными:
где 
– электрическая; а 
– магнитная постоянная.
Когда физикам удается обнаружить закон взаимосвязи некоторых параметров, они по праву празднуют успех. Но в данном случае он был омрачен невозможностью его непротиворечивой интерпретации. Выходило, что скорость света в среде, характеристиками которой являлись электрическая и магнитная проницаемость, не зависит от скорости движения его источника. Но это противоречит классическому представлению о сложении скоростей.
Еще одна неприятность состояла в том, что уравнения Максвелла оказались неинвариантными для тех систем, которые в классической механике признавались эквивалентными. В классической механике принцип инвариантности предполагает признание преобразований Галилея. Рассмотрим их в простейшем виде, впрочем, стараясь не терять из вида физическую суть процессов.
Если система S движется относительно системы S' с постоянной скоростью и вдоль оси х, а начала систем совпадают в начальный момент времени в обеих системах, то преобразования Галилея имеют вид:
(3.1)
Из этих преобразований следуют соотношения между скоростями движения точки и ее ускорениями в обеих системах отсчета:
(3.2)
(3.3)
Уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея. Разумеется, физиков не мог не взволновать отказ от преобразований Галилея и, следовательно, от принципа инвариантности (принципа относительности).
Особые волнения вызывала неясность с природой электромагнитных волн, в том числе света. Физики были уверены, что волны распространяются в некоторой упругой среде. Нет среды – нет волн. Средой электромагнитных волн признавался эфир. Его предстояло обнаружить. Разумеется, физики попытались сделать это.
Обычно среду обнаруживают по тому сопротивлению, которое она оказывает на процессы, происходящие в ней. Именно этим представлением руководствовался Альберт Майкельсон, который провел в 1881 г. уникальный эксперимент, повторенный им через шесть лет совместно с Генри Морли. Ученые считали, что прохождение Земли сквозь эфир должно вызывать эфирный ветер. Именно этот факт намеревались обнаружить ученые.
Научный эксперимент
Согласно эксперименту Майкельсона – Морли монохроматический пучок света расщеплялся на два луча, которые направлялись на зеркала, а после отражения от них попадали в интерферометр. Один пучок света двигался параллельно, а другой перпендикулярно воображаемому эфирному ветру. Экспериментаторы, повернув интерферометр на 90°, ожидали изменения интерференционной картины. Предсказуемое изменение интерференционной картины не было обнаружено. Ученые зафиксировали полнейший эфирный штиль. Но в таком случае под сомнение ставилось само существование эфира.
Итак, в канун XX столетия физики столкнулись с набором проблем, которые ждали своего разрешения. Предстояло добиться желаемой гармонии в теории электромагнитных явлений.
Выводы
1. Несмотря на обилие экспериментальных результатов, физики испытывали трудности в согласовании концептуальных основ механики Ньютона и электродинамики Максвелла.
2. Уравнения Максвелла подтверждали тезис о равноправии всех инерциальных систем отсчета, но они не были инвариантными относительно преобразований Галилея.