Princip invariance rychlosti světla

Princip invariance rychlosti světla vyplývá z principu relativity [1] (uvádí, že všechny fyzikální zákony jsou invariantní s ohledem na volbu inerciální vztažné soustavy ) a je ztělesněním Lorentzovy invariance elektrodynamiky . Obecněji lze říci, že maximální rychlost šíření interakce (signálu), nazývaná rychlost světla [2] , by měla být stejná ve všech inerciálních vztažných soustavách.

Toto tvrzení je pro naši každodenní zkušenost velmi neobvyklé. Chápeme, že rychlosti (a vzdálenosti) se mění, když se pohybujeme od systému v klidu k systému v pohybu, a přitom intuitivně věříme, že čas je absolutní. Princip neměnnosti rychlosti světla a absolutnosti času jsou však neslučitelné. Pokud je maximální možná rychlost neměnná, pak čas ubíhá různě pro pozorovatele pohybující se vůči sobě navzájem. Kromě toho události, které jsou současné v jednom referenčním rámci, nebudou současné v jiném.

Před Michelson-Morley experimenty v roce 1887 (první výsledky získal Albert Michelson již v roce 1881 ) existovaly tři názory na éterový model :

A. Michelson se pustil do potvrzení či vyvrácení teorie „nestrhávaného éteru“ pomocí optických experimentů. J.K.Maxwell poukázal na nemožnost identifikace efektů prvního řádu (s ohledem na ) bez ohledu na aplikovanou teorii éteru. Když se paprsek světla pohybuje tam a zpět, světelný paprsek trvá stejnou celkovou dobu, bez ohledu na přičtení rychlosti světla k rychlosti zdroje. Pro pozorování možných optických efektů druhého řádu (relativně ) spojených s teorií „nestrhávaného éteru“ Michelson připravil experiment s interferometrem . Výsledky experimentu ukázaly nevýznamnost optických efektů druhého řádu spojených s orbitálním a galaktickým pohybem Země . Vliv „éterického větru“ na optické efekty druhého řádu v rozsahu více než 6 km/s nebyl zjištěn, teorie nehybného éteru byla zpochybněna. Výsledky a výpočtové metody Michelsonova experimentu byly plody jeho původních vynálezů souvisejících se složitostí fyziky unášeného éteru a zákony odrazu pohybujících se zrcadel značně zkomplikovaly jeho výpočty [3] . Zbývající modely éteru se kvůli neshodám a pokusům o sestavení „mechanického“ modelu s výslednými zjevnými rozpory („supertvrdý éter“) nepodařilo rozvinout do hotové podoby.

V roce 1905 Albert Einstein ve své práci „O elektrodynamice pohybujících se těles“ postuluje princip relativity a neměnnost rychlosti světla v inerciálních vztažných soustavách. Na základě „myšlenkových experimentů“ uvedených ve své práci odvozuje transformace mezi pohyblivými a klidovými inerciálními vztažnými soustavami, matematicky podobné Lorentzovým transformacím . Postupem času se měnil samotný koncept prostoru a času a v souladu s ním se mechanika stala stejně Lorentzově invariantní jako optika a elektrodynamika. Klasické transformace Galilea jsou přibližné a platné pro malé (ve srovnání s rychlostí světla) rychlosti. V obecném případě je nutné aplikovat relativistické Lorentzovy transformace, které tvořily základ Einsteinovy ​​speciální teorie relativity .

V 60. a 70. letech minulého století se abstraktní časopisy často setkávaly s odkazy na zahraniční práce, které zvažovaly varianty speciální teorie relativity, postavené na předpokladu, že rychlosti světla v opačných směrech nejsou stejné. Tyto možnosti se nazývaly ε-SRT a konzistentním způsobem popisovaly vše, co popisuje SRT. Pravda, většina z nich byla „těžší“ a méně pohodlná než Einsteinova verze, protože porušovaly požadavek, aby matematická forma zápisu zákonů v různých vztažných soustavách byla nezměněna. Většina prací těchto autorů nebyla namířena proti Einsteinově verzi, ale vykazovala konzistenci netradičního přístupu. Autoři těchto prací se snažili rozbít matematickou krásu SRT, odhalit její fyzikální obsah a odhalit hádanku rychlosti světla v jednom směru [4] .

Není neobvyklé říkat, že rychlost světla v jednom směru změřil Römer . Roemerova rychlost je však také rychlostí získanou za implicitního předpokladu, že rychlosti světla v opačném směru jsou stejné. Faktem je, že Roemer a Cassini diskutovali o pohybu Jupiterových satelitů, vědomě předpokládali, že prostor pozorovatelů je izotropní. Skutečnost, že Römer skutečně změřil rychlost světla, přičemž implicitně vycházel z předpokladu, že rychlost světla je stejná tam a zpět, ukázal rakouský fyzik Karlov [5] .

Invariance rychlosti světla v laboratoři v klidu vzhledem k povrchu Země byla nyní pevně experimentálně prokázána. Zajímavostí je hledání možných drobných odchylek od tohoto zákona [6] .

Poznámky

  1. ↑ Ve slabší formulaci princip relativity prosazuje takovou invarianci pouze pozorovaných jevů, nikoli zákonů, ale v praxi to vede k tomu, že stejné zákony lze použít stejně k předpovídání jevů bez ohledu na vztažnou soustavu, což vede obecně k silnější formulaci použité v hlavním textu.
  2. ↑ Existují různé způsoby interpretace a hierarchie postulátů. V jednom z možných způsobů konstrukce relativistické teorie je zpočátku postulována maximální rychlost světla, zatímco v jiných je zpočátku postulována pouze jeho invariance.
  3. ↑ S.I. Vavilov v.4 „Michelsonova zkušenost, její opakování a analogie“
  4. ↑ Edwards, WF Speciální teorie relativity v anizotropním prostoru // American Journal of Physics. - 1963. - č. 31 (7) . — S. 482–489 .
  5. ↑ L. Karlov. Australian Journal of Physics. - 1970. - č. 23 . - S. 243-253 .
  6. ↑ Anizotropie rychlosti světla // "UFN", ročník 177, č. 2, 2007 Archivní kopie ze dne 27. listopadu 2011 na Wayback Machine , předtisk (anglicky) Archivní kopie ze dne 8. října 2018 na Wayback Machine