7.7.2. Предпосылки возникновения теории относительности

Согласно электродинамике Максвелла в неподвижной ИСО скорость света в вакууме с = 310⁸ одинакова по всем направлениям и является наибольшей скоростью распространения взаимодействий в природе.

Если распространить принцип относительности Галилея на электромагнитные процессы, то (согласно классическому закону сложения скоростей) скорость света в подвижной ИСО, движущейся относительно неподвижной со скоростью , будет . Однако, при таком переходе уравнения Максвелла перестают верно описывать электромагнитные процессы. Значит, либо принцип Галилея применять нельзя (в разных ИСО электромагнитные процессы протекают различно), либо (если они протекают одинаково) неверна теория Максвелла.

Таким образом, в физике возникло противоречие (между применимостью принципа Галилея к электродинамике и теорией Максвелла), которое могло быть устранено одним из трёх способов:

1) считать теорию Максвелла верной, а принцип Галилея – неприменимым к электромагнитным процессам. Сторонником такого подхода был основатель электронной теории Гендрик Лоренц (1853–1928, Голландия). Тогда получается, что уравнения Максвелла верны только в «главной» неподвижной ИСО, которая существует, связана с абсолютной пустотой Ньютона и может быть обнаружена с помощью светового луча (в то время полагали, что электромагнитные колебания – разновидность механических, и пустота заполнена особой всепроникающей средой – эфиром, упругие колебания которого порождают ЭМВ).

2) признать применимость принципа Галилея, а теорию Максвелла считать несовершенной. Сторонником этого способа был Герц. Он полагал, что при движении тел (например Земли) пронизывающий их эфир полностью увлекается и движется с ними, поэтому уравнения Максвелла следует доработать так, чтобы они не менялись при переходе из одной ИСО в другую;

3) признать верным как применимость принципа Галилея к электромагнитным процессам, так и теорию Максвелла, но при этом отказаться от классических представлений о пространстве и времени.

Автором такого революционного подхода стал Эйнштейн.

В 1869 г. Максвелл высказал идею, что если в гелиоцентрической ИСО измерить скорость света, то она будет зависеть от направления движения тела в этой ИСО. Земля движется по орбите со скоростью 30 , поэтому скорость света в неподвижном эфире в направлении движения Земли должна заметно отличаться от скорости света в перпендикулярном направлении.

В 1881 г. Майкельсон и Эдвард Морли (1838–1923, США) поставили эксперимент по идее Максвелла. С помощью интерферометра высокой точности они получили интерференционную картину двух взаимно перпендикулярных когерентных световых лучей. Многократно проводя опыт в разное время года и суток, они обнаружили, что скорость света с = 310⁸ по всем направлениям и не зависит ни от движения Земли вокруг Солнца, ни от движения Солнца вокруг центра галактики, ни от чего-либо ещё. Таким образом, первый способ устранения противоречия не увенчался успехом.

Согласно идее Герца движущаяся вода должна полностью увлекать «свой» эфир и, значит, распространяющийся в ней свет. Однако опыты показали, что это не так, и второй способ также не привел к успеху.

В 1905 г. Эйнштейн провел глубокий критический анализ экспериментальных методов измерения пространства и времени и в работе «К электродинамике движущихся сред» показал, что законы классической механики и преобразования Галилея верны только при небольших скоростях движения тел. Для скоростей, соизмеримых со скоростью света в вакууме, необходимы более общие законы, учитывающие особенности такого движения, т. е. релятивистская механика, основанная на отказе от классических представлений о пространстве и времени и на замене их новыми – релятивистскими. Она разработана с соблюдением принципа соответствия, т. е. её законы включают в себя законы классической механики как частный случай, при скоростях, несоизмеримо меньших скорости света в вакууме.