Специальная теория относительности (СТО), разработанная А. Эйнштейном в 1905 году, представляет собой фундаментальное изменение взглядов на пространство и время. Основные положения теории — инвариантность скорости света и относительность одновременности — были многократно проверены экспериментально. В этой главе рассматриваются ключевые эксперименты, подтверждающие СТО, их методы и результаты.
Методика и история экспериментов: До Эйнштейна скорость света считалась постоянной в среде эфира. Классические эксперименты, такие как опыт Майкельсона-Морли (1887), были направлены на обнаружение «эфирного ветра». В этом опыте использовался интерферометр, позволяющий фиксировать изменения скорости света в зависимости от направления движения Земли относительно предполагаемого эфира.
Результаты: Опыт Майкельсона-Морли показал отсутствие разницы в скорости света в различных направлениях движения Земли. Это подтвердило, что скорость света не зависит от движения источника или наблюдателя, что полностью согласуется с первым постулатом СТО.
Современные методы: Современные лазерные интерферометры и точные оптические часы позволяют измерять скорость света с точностью до долей метра в секунду, подтверждая инвариантность скорости света в различных системах отсчёта.
Прямые проверки: Лоренцево сокращение длины $L = L_0 \sqrt{1 - v^2/c^2}$ не может быть измерено напрямую на макроскопических объектах из-за малых эффектов при скоростях, доступных в лаборатории. Однако его косвенные подтверждения получают через наблюдения релятивистских частиц:
Мюоны в атмосфере: Мюоны, возникающие при взаимодействии космических лучей с верхними слоями атмосферы, имеют очень короткое собственное время жизни (~2,2 μs). При движении со скоростями, близкими к c, они достигают поверхности Земли в значительно большем количестве, чем ожидалось без релятивистского замедления времени. Расчёты с учётом замедления времени в точности совпадают с экспериментальными данными.
Прямые ускорительные эксперименты: Частицы в ускорителях (например, электронные и протонные пучки) при скоростях, близких к скорости света, демонстрируют релятивистское увеличение массы и изменение инерционных свойств, что согласуется с формулами СТО.
Методика: Экспериментальные проверки релятивистского замедления времени проводятся с использованием высокоточных атомных часов, перемещаемых со скоростями, сравнимыми с орбитальной скоростью самолётов или спутников.
Классический эксперимент Хафеле–Китинга (1971):
Результаты:
Согласно СТО, скорость света предельная и сложение скоростей не является аддитивным в классическом смысле.
Наблюдения:
$$ u' = \frac{u + v}{1 + \frac{uv}{c^2}} $$
Эта формула успешно объясняет все наблюдаемые эффекты при взаимодействии частиц на больших скоростях.
СТО предсказывает, что электрические и магнитные поля изменяются при переходе в другую инерциальную систему отсчёта согласно преобразованиям Лоренца.
Экспериментальные подтверждения:
Красное смещение и релятивистские эффекты движения:
Гравитационные линзы и гравитационный доплеровский эффект (часть общей теории, но с релятивистскими поправками к движению источников) также подтверждают точность предсказаний СТО для движущихся источников света.
Высокоточные лазерные и атомные эксперименты:
Коллайдерные эксперименты:
Ключевой вывод: все наблюдаемые эффекты в лабораторных и астрономических условиях согласуются с СТО с высокой точностью, исключая необходимость введения гипотетического эфира или альтернативных моделей классической механики на больших скоростях.
Экспериментальные данные из различных областей физики — от лабораторных измерений до космических наблюдений — демонстрируют всеобщее подтверждение принципов СТО:
Эти многочисленные и разнообразные эксперименты формируют непреложную основу для доверия к специальной теории относительности как точной физической теории, применимой во всех инерциальных системах отсчёта.