Преобразования Лоренца

В 1892 г. два физика независимо друг от друга (ирландский физик Фитцджеральд и голландский физик Лоренц) предложили математическое решение, которое сохраняло идею существования эфира и примеряло результаты эксперимента Морли - Майкельсона с принятыми в классической механике преобразованиями координат Галилея.

Голландский физик X. А. Лоренц (1853—1928), лауреат Нобелевской премии (1902), создатель классической электронной теории, предложил математическое разрешение казуса эксперимента Морли — Майкельсона, которое получило название преобразова-

ние Лоренца. Это преобразование координат движущего или покоящегося материального тела отличается от преобразований Галилея следующим образом.

1. Согласно преобразованию X. Лоренца длина движущегося тела в направлении его движения сокращается или остается постоянн ой в за висимости

от скорости движения тела по формуле l = √l-v/c2, где l — длина тела, v —

скорость движения тела, с — скорость света. В зависимости от разницы величины

скорости движения тела от величины скорости света эта формула показывает заметное или незаметное сокращение длины тела. Например, ракета длиной в 50 м при скорости 100 км/с сокращает свою длину по направлению своего движения всего лишь на 0,003 мм. Из предложенного Лоренцем коэффициента сокращения длины следовало, что в установке Морли - Майкельсона длина плеча, движущегося вдоль своей длины, должна была сокращаться. Этим он объяснял тот факт, что Морли и Майкельсон не заметили разницы во времени движения света в противоположных направлениях.

2. X. Лоренц предложил преобразовать и временную координату. Согласно его преобразованию время (метрические свойства) замедляется при движении тела со скоростью света. В основе этого преобразования лежит различение ритма времени, оцениваемого в разных системах отсчета. Например, время жизни мюона (нестабильная самопроизвольно распадающаяся частица), вычисленное из системы отсчета, связанной с этой частицы, равно приблизительно τ0 = 2,2 • 10-б с, где τ0 — время жизни из системы отсчета, связанной с частицей. За это время, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света (с), мюон должен пройти расстояние приблизительно 600 м. Мюоны рождаются в верхних слоях атмосферы Земли, измеряемых километрами, и проходят расстояние, определяемое по формуле: S = τ0 • с (S— расстояние, с — скорость света). Это небольшое расстояние, но приборы фиксируют мюоны достаточно близко от поверхности Земли. Это происходит оттого, что наряду с собственным времени жизни (τ0), мюон имеет, согласно преобразованиям Лоренца, время жизни (г), измеренное из системы отсчета, связанной с Землей по формуле: τ = τ/√ 1-(v 2 /с 2).

Из этой формулы следует, что собственное время жизни мюона (τ0) в десять раз меньше его времени существования, зафиксированного в системе отсчета, связанной с Землей. Это позволяет мюонам проходить расстояние существенно больше, чем 600 м.

Как и в случае с эффектом сокращения масштаба длины движущегося тела, преобразования Лоренца указывали на замедление хода часов, сокращение временных масштабов в зависимости от приближения скорости движущегося тела

к величине скорости света: чем ближе к скорости света, тем ощутимее процесс замедления масштаба времени. Например, в ракете со скоростью 100 км/с часы будут идти медленнее всего лишь на 0,00002 с в сравнении с часами, установленными на Земле и синхронизированными с первыми в момент старта ракеты.

Преобразования X. Лоренца — значительный вклад в развитие естествознания.

К ним X. Лоренц пришел в результате изучения ряда важных физических проблем, в частности проблемы измерения скорости света в различных системах отсчета. Из преобразований X. Лоренца чисто логически выводятся важные эффекты специальной теории относительности: парадокс близнецов, сокращение масштаба длины, постоянство скорости света.

Принципиальная новизна СТО состоит в том, что эта теория позволила найти новые физические решения ряда проблем классической науки, а именно связь вещества, массы, физического поля с энергией, пространством и временем.

В XVII—XVIII вв. ученые спорили о причинах инерции вращения в движении Земли. Некоторые считали, что явление инерции и вращения в движении Земли совершенно не зависят от того, является ли космическое пространство или нет заполненным веществом. Другие, напротив, утверждали, что явления инерции и вращение Земли возможны лишь при наличии в пространстве звезд и других структур, создающих гравитационные поля. Так, космонавт, если рассматривать его как единственное тело в пустом пространстве, без гравитационных полей, не сможет придать ускорение брошенному им предмету, поскольку инертная масса космонавта настолько мала в таком пустом пространстве, что ею можно пренебречь. Следовательно, космическое пространство, заполненное звездами и

другими объектами, является необходимой средой движения тел во Вселенной.

Точка зрения, утверждавшая значение гравитационных полей в образовании структур Вселенной, была названа А. Эйнштейном «принципом Маха» в честь австрийского физика Э. Маха (1839—1916). Обдумывание Эйнштейном результатов опыта Морли — Майкельсона и принципа Маха навело его на мысль

о том, что понятие эфира не имеет физического

смысла и что физика должна строиться на более надежных основаниях.