Первый постулат специальной теории относительности (СТО) формулируется следующим образом: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Иными словами, никакая инерциальная система не обладает привилегированным статусом, а физические явления не зависят от постоянной скорости движения системы относительно других инерциальных систем.
Физический смысл:
Отсутствие абсолютного покоя. В классической механике считалось, что пространство и время существуют независимо, а движение относительно «абсолютного пространства» имеет физический смысл. СТО отменяет этот принцип: движение может быть измерено только относительно других объектов, а сама идея абсолютного покоя теряет смысл.
Симметрия законов физики. Любой эксперимент, проведенный в замкнутой лаборатории, движущейся равномерно и прямолинейно, не может выявить абсолютное движение. Например, законы механики, электродинамики и оптики одинаково действуют в движущейся системе и в системе покоя.
Следствия для наблюдателей. Поскольку законы одинаковы, преобразования между инерциальными системами должны сохранять форму физических законов. Это напрямую ведет к необходимости разработки преобразований Лоренца, которые заменяют классические преобразования Галилея при учете конечной скорости света.
Второй постулат СТО утверждает: скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей и не зависит от движения источника или наблюдателя. Это фундаментальное свойство электромагнитного поля в вакууме.
Физический смысл:
Скорость света как предельная скорость. В отличие от механических объектов, которые могут иметь произвольную скорость относительно друг друга, фотон всегда движется со скоростью c ≈ 3 × 108 м/с, независимо от движения источника или наблюдателя. Это делает скорость света космической константой, связывающей пространство и время.
Противоречие с классической механикой. В классической механике скорости складываются арифметически. Например, если поезд движется со скоростью v, а человек в поезде бросает мяч со скоростью u относительно поезда, скорость мяча относительно земли u + v. Для света такое сложение не работает: скорость света всегда c. Это несоответствие привело Эйнштейна к выводу о необходимости пересмотра концепции пространства и времени.
Связь с электромагнитными законами. Максвелловы уравнения описывают электромагнитные волны со скоростью c. Постулат Эйнштейна обеспечивает согласованность электродинамики с принципом относительности, что не было возможно в рамках ньютоновской механики.
Первые два постулата тесно связаны и формируют фундамент СТО:
Эти постулаты делают невозможным существование абсолютного времени и абсолютного пространства, которые считались фундаментальными в классической физике.
Из постулатов Эйнштейна вытекают ключевые эффекты, которые были подтверждены экспериментально:
Относительность времени (замедление времени). В движущейся системе отсчета часы идут медленнее по сравнению с системой покоя:
$$ \Delta t' = \frac{\Delta t}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}. $$
Этот эффект наблюдается, например, в высокоскоростных частицах и космических лучах.
Сокращение длины объектов (Лоренцево сокращение). Длина объекта вдоль направления движения сокращается:
$$ L = L_0 \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}. $$
Эквивалентность массы и энергии. Из постулатов следует знаменитое соотношение:
E = mc2,
которое связывает массу тела с его энергией покоя.
Невозможность движения со скоростью, превышающей c. Любой объект, обладающий массой покоя, не может быть ускорен до скорости света, поскольку для этого потребовалась бы бесконечная энергия.
Эти два постулата создают целостную картину современной релятивистской физики, определяя новые понятия пространства и времени, которые лежат в основе всей специальной теории относительности.