Преобразования Лоренца. Постулаты Эйнштейна.
Создание СТО явилось способом разрешения противоречия, возникшего на рубеже 19-20 веков в отношении электромагнитных явлений и всей классической электродинамики Максвелла. Скорость электромагнитных волн (скорость света) является одной из констант, входящих в уравнения Максвелла. Если она меняется при переходе от одной ИСО к другой (что следует из преобразований Галилея), то уравнения Максвелла меняют при этом свою математическую форму, и законы электродинамики будут различными относительно разных ИСО. Таким образом, электромагнитные явления протекали бы по разным законам с точки зрения различных наблюдателей. В 1881 г. американскими физиками Майкельсоном и Морли были проведены эксперименты, из которых следовала независимость скорости света от выбора ИСО.
То, что уравнения Максвелла неинвариантны относительно преобразований Галилея, побудило учёных к поиску более общих преобразований координат и скоростей, для которых преобразования Галилея явились бы частным случаем. Такие преобразования были найдены выдающимся нидерландским учёным Лоренцем и известны как преобразования Лоренца.
Он же получил важнейшие следствия из них, показывающие относительность линейных размеров и промежутков времени.
Из преобразований Лоренца следует также релятивистский закон сложения скоростей, в соответствии с которым любая относительная скорость не может превышать скорость света.
Наряду с Лоренцем основоположником СТО является французский учёный Пуанкаре, который разработал математические основы теории и сформулировал новый принцип относительности. В 1905 г. эти результаты были обобщены и систематически изложены Эйнштейном в его известной работе "К электродинамике движущихся сред", где сформулированы два принципа, именуемые в различной литературе постулатами Эйнштейна:
Все физические явления (механические, электромагнитные, оптические и др.) протекают одинаково во всех ИСО; иначе говоря, все физические законы не изменяют математическую форму при переходе от одной ИСО к другой, если при этом используются преобразования Лоренца, т.е. законы физики инвариантны относительно преобразований Лоренца.
Скорость света в вакууме (с=3 108 м/с) есть постоянная величина, не зависящая от относительной скорости движения источника и приёмника светового сигнала, она одинакова во всех ИСО и является предельной скоростью движения и передачи взаимодействия.
Первый постулат называют ещё релятивистским принципом относительности, а второй –принципом инвариантности скорости света. В СТО геометрические свойства пространства те же самые, что и в классической механике Ньютона: пространство остаётся однородным и изотропным независимо от того, какая материя его наполняет и как она движется. Радикально меняются свойства времени: оно уже не абсолютно, а относительно, по-разному течёт в разных ИСО, а это сказывается на измерениях и линейных размеров тел, т.е. на их пространственных характеристиках (но не однородности и изотропности пространства).
В СТО вводится понятие четырёхмерного мира событий – пространства Минковского. Немецкий физик и математик Минковский дал геометрическое истолкование СТО. Согласно его подходу при переходе от одной ИСО к другой инвариантом является величина x²+y²+z²-c²t² - квадрат четырёхмерного интервала. Благодаря этому инварианту все законы физики оказываются также инвариантными относительно всех ИСО.
Простра́нство-вре́мя — физическая модель, дополняющая пространство равноправным временны́м измерением и, таким образом, создающая новую теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом. Концепцию пространства-времени допускает и классическая механика, но в ней это объединение искусственно, так как пространство-время классической механики — прямое произведение пространства на время, то есть пространство и время независимы друг от друга. Однако уже классическая электродинамика требует при смене системы отсчета преобразований координат, включающих время «наравне» с пространственными координатами (т.н. преобразований Лоренца), если желать, чтобы уравнения электродинамики имели одинаковый вид в любой инерциальной системе отсчета; непосредственно наблюдаемые временные характеристики электромагнитных процессов (периоды колебаний, времена распространения электромагнитных волн и т.п.) также оказываются таким образом уже в классической электродинамике зависящими от системы отсчета (или, иначе говоря, от относительного движения наблюдателя и объекта наблюдения), то есть не являются «абсолютными», а определенным образом связаны с пространственным движением и даже положением в пространстве, что и явилось первым толчком для формирования современной физической концепции единого пространства-времени. В контексте теории относительности время неотделимо от трех пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя (см. собственное время).
Концепция пространства-времени сыграла исторически ключевую роль в создании геометрической теории гравитации. В рамках общей теории относительности гравитационное поле сводится к проявлениям геометрии четырехмерного пространства-времени.