Принцип относительности и предельная скорость движения

Проведённое в предыдущих главах описание пространственно-временных отношений было тесно связано с преобразованиями Галилея. В основе их лежат два положения, проверенные только при малых скоростях: а) равноправие всех ИСО; б) возможность выбора для синхронизации часов (в подвижной и неподвижной ИСО) сврхбыстрого сигнала, распространяющегося со скоростью u₀ >> V.

Однако в конце 19 начале 20 века было выяснено, что положение б) не может быть выполнено, поскольку существует естественное ограничение на возможную скорость сигнала – предельная скорость распространения света. Кроме того, описание электромагнитных явлений и взаимодействия электрических токов неинвариантно относительно преобразований Галилея, что ставить под сомнение справедливость положения а). Действительно, множество экспериментальных фактов из области электромагнетизма прекрасно описываются теорией Максвелла, несмотря на её явную неинвариантность относительно преобразований Галилея. Это означает, что описание законов электромагнетизма, данное Максвеллом, верно, а в привычных представлениях о свойствах пространства и времени что-то надо изменять.

Попытка отказаться от положения а) о равноправии ИСО и найти «истинно неподвижную» систему отсчёта, в которой следовало бы описывать электромагнитные явления, неизменно давали отрицательные результаты. Многочисленные опыты и в других областях физики не позволяли отличить движущуюся инерциальную систему отсчёта (ИСО) от неподвижной ИСО. Это привело в 1905 г. Пуанкаре и Эйнштейна к открытию фундаментального принципа относительности: все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны; никакими экспериментами в любой области физики невозможно установить, движется ИСО или покоится. Дальнейшее развитие физики подтвердило справедливость принципа относительности как одного из самых общих законов природы, а существующие сейчас фундаментальные физические теории удовлетворяют этому принципу; входящие в них законы имеют одинаковый вид во всех ИСО. Совпадение выводов теорий с результатами экспериментов в свою очередь подтверждает принцип относительности. Заслуга Эйнштейна здесь состоит в том, что не вводятся какие-либо дополнительные характеристики «взаимодействия», а производится пересмотр привычных для движущейся частицы характеристик состояния и связанных с ним взглядов на пространственно-временные отношения.

Успехи теории Максвелла, прямые и косвенные эксперименты по проверке закона сложения скоростей, и прежде всего, для света, указывали на то, что надо отказаться от положения б), допускающего любые скорости распространения сигнала для синхронизации часов в ИСО. Всё это и наблюдаемая на опыте независимость скорости света , от движения источника или приёмника и её фундаментальная роль в природе позволили Эйнштейну считать постоянство как один из важнейших законов природы. В этом случае «очевидные» преобразования Галилея и его закон преобразования скоростей (4.2) следует считать всего лишь приближёнными соотношениями, справедливыми только при малых скоростях V << . Развитие физики подтвердило правильность этой идеи. В частности, пришлось пересмотреть описание движения частиц при больших скоростях, обобщив понятие нерелятивистского импульса, и это новое описание оказалось в полном согласии с идеей Эйнштейна. Так появился фундаментальный твёрдо установленный принцип существования предельной скорости движения: скорость света в вакууме не зависит от движения источника или приёмника. Она является предельной скоростью движения частиц и распространения любых материальных сигналов. Вместе с принципами инерции и относительности этот принцип образует фундамент всей физики [2, 7].

Из принципа относительности следует, скорость света – универсальная мировая константа, являющаяся предельным значением возможных скоростей любых материальных объектов и связанных с ними систем отсчёта. Её естественно принять за скорость сигнала, используемого в процедуре синхронизации часов, при описании движения в параграфах 1.2., 1.3. и 4.1.. Эта процедура автоматически оказывается универсальной во всех неподвижных и движущихся ИСО.

В заключение следует заметить, в настоящее время известны и другие материальные объекты, движущиеся со скоростью света, в частности, нейтрино. Поэтому свет перестал быть единственным объектом, скорость которого одинакова во всех ИСО. Глубокое содержание принципа существования предельной скорости движения состоит в том, что в природе существует инвариантная универсальная скорость, к которой стремятся в пределе скорости движения любых объектов. Таким образом, сам факт существования постоянной величины – это закон природы, то есть отражение объективных свойств пространства и времени, но не случайное свойство конкретных объектов: света, нейтрино и подобных им частиц еще не открытых.