Специальная теория относительности (СТО), предложенная Альбертом Эйнштейном в 1905 году, строится на двух фундаментальных постулатах, которые радикально изменили понимание природы времени, пространства и движения. Эти постулаты задают основу для всех последующих выводов и формул СТО.
Первый постулат (принцип относительности): Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Иными словами, никакая инерциальная система не обладает привилегированным положением в природе, и все эксперименты, проводимые в такой системе, не могут обнаружить её абсолютное движение. Этот принцип распространяется на все фундаментальные законы: механические, электромагнитные и термодинамические.
Ключевой момент: этот постулат обобщает идеи Галилея и Ньютона, но в отличие от классической механики, он включает в себя также законы электромагнетизма, для которых классические преобразования Галилея оказались недостаточными.
Второй постулат (постоянство скорости света): Скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от скорости источника света и скорости системы отсчета. Скорость света c является фундаментальной константой природы и не зависит от движения наблюдателя.
Ключевой момент: этот постулат противоречит классической механике, в которой скорости складываются по принципу Галилея. В СТО сложение скоростей подчиняется особым правилам, обеспечивающим сохранение постоянной скорости света.
Относительность одновременности События, которые кажутся одновременными в одной инерциальной системе, могут не быть одновременными в другой, движущейся относительно первой. Это фундаментальное отличие от классической механики, где время считалось абсолютным.
Дилатация времени Время между двумя событиями, измеренное в системе, движущейся относительно наблюдателя, увеличивается. Для времени движения часов t′ и покоящихся часов t формула имеет вид:
$$ t' = \frac{t}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} $$
где v — скорость системы отсчета. Ключевой момент: движение замедляет ход времени относительно покоящегося наблюдателя.
Сокращение длин (Лоренцево сокращение) Длина объекта, движущегося относительно наблюдателя, уменьшается по направлению движения:
$$ L' = L \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}} $$
Ключевой момент: расстояния вдоль направления движения зависят от скорости, что разрушает представление о пространстве как абсолютно фиксированной величине.
Преобразования Лоренца Связь координат и времени между двумя инерциальными системами движущимися со скоростью v относительно друг друга описывается преобразованиями Лоренца:
$$ x' = \gamma (x - vt), \quad t' = \gamma \left(t - \frac{vx}{c^2}\right), \quad \gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}} $$
Ключевой момент: эти преобразования заменяют преобразования Галилея и обеспечивают соблюдение второго постулата — постоянства скорости света.
Энергия и масса Один из самых известных выводов СТО — взаимосвязь массы и энергии:
E = mc2
Это указывает на то, что масса является формой энергии, и движение может влиять на воспринимаемую массу объекта через релятивистский эффект.
Постулаты СТО не требуют экспериментальной проверки каждого отдельного явления, но устанавливают строгую математическую и концептуальную структуру для всего физического мира при больших скоростях. Все последующие результаты — от преобразований Лоренца до релятивистской динамики — строго следуют из этих двух фундаментальных принципов.