Conference PaperPDF Available

ОБ ИЗЛОЖЕНИИ ОСНОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Authors:

Abstract

Обсуждаются трудности, возникающие при изложении основ специальной теории относительности, особенно постулатов Эйнштейна. Выделяются конкретные моменты в рассуждениях и аргументации, которые могут облегчить восприятие материала. Обраща-ется внимание на недостатки изложения этих вопросов в школьных учебниках. The difficulties arising at statement of bases of a special relativity theory, especially Einstein's postulates are discussed. The concrete moments in reasonings and the argument which can facili-tate material perception are allocated. The attention to shortcomings of statement of these ques-tions of school textbooks is paid.
226
ОБ ИЗЛОЖЕНИИ ОСНОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ
ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Мубаракшин Искандер Рахимович1
кандидат физико-математических наук, доцент, mubair@mail.ru
Баранов Александр Михайлович2
доктор физико-математических наук, профессор, alex_m_bar@mail.ru
1 Марийский государственный университет, 424000, Российская Федерация, г. Йошкар-
Ола, пл. Ленина, 1
2 Красноярский государственный педагогический университет им. В. П. Астафьева,
660049, Российская Федерация, г. Красноярск, ул. Ады Лебедевой, 89
Аннотация
Обсуждаются трудности, возникающие при изложении основ специальной теории
относительности, особенно постулатов Эйнштейна. Выделяются конкретные моменты
в рассуждениях и аргументации, которые могут облегчить восприятие материала.
Обращается внимание на недостатки изложения этих вопросов в школьных учебниках.
Ключевые слова
Специальная теория относительности, постулаты Эйнштейна, принцип
относительности, постулат постоянства скорости света, концепция близкодействия
При изучении специальной теории относительности (СТО) в достаточно полном
объеме трудность первоначального восприятия постулатов, относительности длин и
времени и других релятивистских особенностей постепенно забывается, заслоняется
разворачивающейся теорией и новыми результатами. Эти результаты и
подтверждающие их эксперименты уже сами по себе могут служить оправданием
принятых первоначально предположений.
Совсем иначе обстоит дело при изучении основ СТО в небольшом объеме,
например, в школе за несколько уроков. Основное впечатление, которое остается у
обучающихся, что постулаты и релятивистские эффекты сокращения длин и
замедления времени и составляют суть СТО. Ну, может еще зависимость массы от
скорости и знаменитая формула Эйнштейна о связи массы и энергии. Скорость света
остается постоянной, непонятно почему, (так надо), а классический закон сложения
скоростей перестает выполняться.
Здесь важно постараться показать логическую обоснованность, необходимость
принятия двух постулатов Эйнштейна, лежащих в основе СТО.
Первый постулат или релятивистский принцип относительности воспринимается
довольно легко. Он говорит, что все законы природы должны быть одинаковы во всех
инерциальных системах отсчета (ИСО). Другими словами, никакими опытами
невозможно отличить покой от равномерного прямолинейного движения. Постулат
является обобщением на все физические явления классического принципа
относительности или принципа относительности Галилея, который касался только
механических явлений. Попытки с помощью оптических экспериментов типа опыта
Майкельсона зафиксировать влияние движения Земли в мировом пространстве на
распространение света дали отрицательный результат и убедительно свидетельствуют в
пользу такого обобщения. Кроме того, есть сильный аргумент для обобщения
классического принципа относительности: «... никаких чисто механических явлений в
природе быть не может. И если ньютоновский принцип относительности не
распространить на всю физику, он оказывается лишенным содержания.»[2]
227
Сложнее со вторым постулатом, постулатом постоянства скорости света: скорость
света в вакууме одинакова во всех ИСО. То есть скорость света не зависит от скорости
источника света или скорости приемника и всегда равна с. При этом часто ссылаются
на первый постулат. Если бы скорость света была различной в разных ИСО, это
противоречило бы принципу относительности.
Но если это следствие принципа относительности, то зачем нужен второй
постулат? И почему именно скорость света оказывается постоянной?
В уравнения Максвелла, записанные в гауссовой системе единиц, входит
электродинамическая постоянная с , которая численно совпала со скоростью света и со
временем так и стала называться, хотя это скорость распространения любых
электромагнитных волн, а не только света. (В интернациональной системе единиц СИ в
уравнения входят постоянные
0
и
0
, произведение которых равно
2
00 /1 с
.) В
работе [5] второй постулат оценивается с позиций концепции близкодействия.
Принцип относительности и концепция близкодействия совместимы, не противоречат
друг другу, только если скорость передачи взаимодействия конечна и одинакова во
всех ИСО. Именно в таком контексте надо воспринимать участие света во втором
постулате.
Еще один момент, который может существенно облегчить восприятие второго
постулата, связан с кажущимся противоречием закону сложения скоростей.
Классический закон сложения скоростей применяется к макроскопическим телам,
материальным объектам, которые двигаются как целое и не меняются с точки зрения
различных систем отсчета. А свет, электромагнитное возмущение, - это волновой
процесс, который в разных системах отсчета воспринимается по-разному, то есть сам
движущийся объект меняется. Здесь уместно вспомнить самого Максвелла: «Но мы не
в состоянии понимать распространение во времени иначе, как только двумя способами:
или как полет материальной субстанции через пространство, или как распространение
состояния движения или напряжения в среде, уже существующей в пространстве.» [4].
Тогда инвариантность скорости света означает, что распространение
электромагнитного возмущения происходит по одним и тем же законам, с одним и тем
же значением электродинамической постоянной в уравнениях Максвелла в любых ИСО
[6]. Рассмотрим теперь изложение основ теории относительности в учебнике
«Физика. 11 класс», рекомендованном для углубленного изучения физики и изданном в
серии «Академический школьный учебник» [7]. Этому посвящена 5 глава учебника,
которая называется «Элементы теории относительности».
Первый параграф этой главы (§ 47. Предельность и абсолютность скорости света)
должен убедить читателя в конечности и инвариантности скорости света. Вся
аргументация сводится к ссылкам на эксперимент без какого-либо намека в каком
направлении можно рассуждать или развивать классические представления, чтобы
сделать понятнее природу обсуждаемых явлений. Сплошные декларации. Основной
рефрен: «На основе представлений классической механики (ее концепции о
пространстве, времени и движении) сделать это невозможно.». Но никаких других
представлений о движении, кроме классических, не предлагается. Более того, в
следующем параграфе используется понятие ИСО, определяемой вполне классически
на основе закона инерции. Или такая конструкция: «Концепция классической механики
о движении не допускает возможности абсолютной скорости у материальных
объектов.». Неоправданно часто термин «абсолютный» используется вместо
«инвариантный». В самом начале параграфа сравниваются покоящийся и движущийся
заряды. Поскольку их поля отличаются, делается вывод о противоречии с классическим
принципом относительности. Здесь как раз было бы уместно сказать о разных
возможных движениях материальных объектов, что отмечал Максвелл. Вместо этого
228
все движения обсуждаются так, как будто движущийся объект одинаков с точки зрения
любых систем отсчета, то есть фактически макроскопических тел.
Второй параграф 5 главы 48. Постулаты теории относительности) начинается
предложением: «Новая в сравнении с классической теоретическая концепция
пространства, времени и движения была разработана Альбертом Эйнштейном (1905) и
названа им специальной (частной) теорией относительности (СТО).». А вот что писал
академик В.Л. Гинзбург: «Теория относительности ... оказалась связанной с
пересмотром фундаментальных представлений, касающихся пространства и времени, а
тем самым и основ классической (дорелятивистской) физики.» [3]. Есть разница? Далее
излагается принцип относительности. При этом используется понятие ИСО, для
которой, как уже отмечалось, никакого нового по сравнению с классическим
определения не дается. как же новая концепция движения?) В конце этого пункта
отмечается, что не существует ни абсолютно покоящейся ИСО, ни абсолютно
движущейся. Зато есть абсолютная скорость! Так называется следующий пункт:
«Постулат абсолютной скорости.» Имеется в виду постулат постоянства скорости
света.
Это все, так сказать, мелкие придирки. А вот более серьезные. Доказательство
постоянства скорости света на основе многих наблюдений двойных звезд, которое
привел В. де Ситтер в 1913 г., связано с наблюдением спектрально-двойных звезд, а не
визуально-двойных, как утверждается в учебнике. В спектрах этих звезд происходит
одновременное смещение спектральных линий к красному и фиолетовому концам
спектра. А поскольку спектрально-двойных звезд много, намного больше, чем
визуально-двойных, и все показывают одинаковую картину смещения линий,
доказательство де Ситтера считается самым весомым доказательством постоянства
скорости света. История с де Ситтером, излагаемая в учебнике [7], довольно далека от
действительной. Такая подмена понятий «визуально-двойные» вместо «спектрально-
двойные» нередко встречается в литературе (подробнее см. [1])
Затем дается определение ИСО, вполне классическое, и обсуждается какая
система отсчета будет наиболее приближена к инерциальной. Таковой объявляется
система отсчета, «у которой в качестве тела отсчета выбран центр Солнца». Насколько
мы понимаем, центр Солнца является точкой. Или мы ошибаемся?
Последний пункт этого параграфа - исследовательская задача СТО. Опять
говорится о новой концепции пространства, времени и движения. В качестве
исследовательской задачи СТО провозглашается теоретическое объяснение и описание
экспериментальных фактов различных разделов физики, понять которые на основе
представлений классической механики о движении, пространстве и времени оказалось
невозможным. Общие слова, совершенно не отражающие специфику СТО и ее
положение в ряду других физических теорий. Пункт заявлен, но, как говорится,
совершенно не выстрелил.
Третий параграф 5 главы 49. Пространство-время в специальной теории
относительности) идет со звездочкой, то есть не является обязательным, для
дополнительного чтения. Есть надежда, что, воспользовавшись этим, ученики
пропускают его и не читают. Пропустим и мы рассказ про свойства частиц, которые
являются релятивистским инвариантом, про обнаруженную фундаментальную
релятивистскую идею. Приведем только заключительный абзац этого параграфа:
«Таким образом, специальная теория относительности устанавливает универсальную
связь пространства и времени: они образуют единое абсолютное пространство-время.
Его составляющие отдельно пространство и отдельно время относительны в силу
абсолютности этой новой сущности: пространства-времени.».
Прав был Владимир Семенович Высоцкий: вот уж, действительно, всё
относительно, всё, всё ... Абсолютно прав.
229
Список литературы
1. Баранов А. М. О постулате постоянства скорости света / А. М. Баранов, И. Р. Мубаракшин //
Физика и ее преподавание в школе и в вузе. XIV Емельяновские чтения: Материалы Всероссийской
науч.-практ. конф. – Йошкар-Ола, Марийский гос. ун – т, 2016. 207 с. – С. 24-30.
2. Бонди Г. Гипотезы и мифы в физической теории / Г. Бонди. – Перевод с англ. В. А. Угарова. – М.:
Мир, 1972. 104 с. – С. 28.
3. Гинзбург В. Л. Как и кто создал специальную теорию относительности? // Угаров В. А. Специальная
теория относительности / В. А. Угаров. – 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, глав. ред. ФМЛ,
1977. 384 с. – С. 303-315.
4. Дорфман Я. Г. Всемирная история физики: С начала XIX до середины XX вв. / Я. Г. Дорфман.
Вступ. ст. и послесл. И. К. Кикоина. Изд. 2-е. – М.: Изд-во ЛКИ, 2007. 320 с. – С. 99.
5. Мубаракшин И. Р. О постулатах специальной теории относительности / И. Р. Мубаракшин //
Пространство, время и фундаментальные взаимодействия. 2016. - 1. С. 24-31.
6. Мубаракшин И. Р. Почему скорость света постоянна? / И. Р. Мубаракшин // Физическое
образование в вузах. – 2018. Том 24, № 2. С. 159 – 166.
7. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений и шк. с углубл. изучением физики: профил.
уровень / А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин и др. под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. -12-е изд.
М.: Просвещение, 2011. 416 с. – (Академический школьный учебник).
ABOUT STATEMENT OF BASES OF SPECIAL
THEORIES OF RELATIVITY
Mubarakshin Iskander R.1
Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, mubair@mail.ru
Baranov Aleksandr M.2
Doctor of physical and mathematical sciences, professor, alex_m_bar@mail.ru
1 Mari State University, 424000, Russian Federation, Yoshkar-Ola, Lenin sq., 1
2 Krasnoyarsk State Pedagogical University of V. P. Astafyev, 660049, Russian Federation,
Krasnoyarsk, Ada Lebedeva st., 89
Annotation
The difficulties arising at statement of bases of a special relativity theory, especially Einstein's
postulates are discussed. The concrete moments in reasonings and the argument which can
facilitate material perception are allocated. The attention to shortcomings of statement of
these questions of school textbooks is paid.
Keywords
Special theory of relativity, Einstein's postulates, principle of relativity, postulate of constancy
of light velocity, concept of a short-range interaction
References
1. Baranov A. M. O postulate postoyanstva skorosti sveta / A. M. Baranov, I. R. Mubarakshin // Fizika i ee
prepodavanie v shkole i v vuze. XIV Emelyanovskie chteniya: Materialy Vserossiyskoy nauch.-prakt. konf.
Yoshkar-Ola, Mariyskiy gos. un- t. 2016. 207 s. S. 24 30
2. Bondi H. [Assumption and myth in physical theory]/ H. Bondi. Perevod s angl. V. A. Ugarova. M.: Mir,
1972. -104 s. S. 28.
3. Ginzburg V. L. Kak i kto sozdal specialnuyu teoriyu otnositelnosti? // Ugarov V. A. Specialnaya teoriya
otnositelnosti / V. A. Ugarov. 2-e izd., pererab. i dop. M.: Nauka, glav. red. FML, 1977. 384 s. S.
303-315.
4. Dorfman Ya. G. Vsemirnaya istoriya fiziki: S nachala XIX do serediny XX vv./ Ya. G. Dorfman. Vstup.
St. i poslesl. I. K. Kikoina. Izd. 2-e. M.: Izd-vo LKI, 2007. 320 s. S. 99.
5. Mubarakshin I. R. O postulatah specialnoy terii otnositelnosti / I. R. Mubarakshin // Prostranstvo, vremya i
fundamentalnye vzaimodeystviya. 2016. - 1. S. 24-31.
6. Mubarakshin I. R. Pochemu skorost sveta postoyanna? / I. R. Mubarakshin // Fizicheskoe obrazovanie v
vuzah. 2018. Tom 24, № 2. S. 159-166.
7. Fizika. 11 klass: ucheb. dlya obshcheobrazovat. uchrezhdeniy i shk. s uglubl. izucheniem fiziki: profil.
Uroven / A. T. Glazunov, O. F. Kabardin i dr. pod red. A. A. Pinskogo, O. F. Kabardina. 12-e izd. M.:
Prosveshchenie, 2011. 416 s. (Akademicheskiy shkolnyy uchebnik).
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Гипотезы и мифы в физической теории / Г. Бонди. -Перевод с англ
  • Г Бонди
Бонди Г. Гипотезы и мифы в физической теории / Г. Бонди. -Перевод с англ. В. А. Угарова. -М.: Мир, 1972. -104 с. -С. 28.
Как и кто создал специальную теорию относительности? // Угаров В. А. Специальная теория относительности / В. А. Угаров. -2-е изд., перераб. и доп
  • В Л Гинзбург
Гинзбург В. Л. Как и кто создал специальную теорию относительности? // Угаров В. А. Специальная теория относительности / В. А. Угаров. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука, глав. ред. ФМЛ, 1977. -384 с. -С. 303-315.
Всемирная история физики: С начала XIX до середины XX вв
  • Я Г Дорфман
Дорфман Я. Г. Всемирная история физики: С начала XIX до середины XX вв. / Я. Г. Дорфман. -Вступ. ст. и послесл. И. К. Кикоина. Изд. 2-е. -М.: Изд-во ЛКИ, 2007. -320 с. -С. 99.
О постулатах специальной теории относительности / И. Р. Мубаракшин // Пространство, время и фундаментальные взаимодействия
  • И Р Мубаракшин
Мубаракшин И. Р. О постулатах специальной теории относительности / И. Р. Мубаракшин // Пространство, время и фундаментальные взаимодействия. -2016. -№ 1. -С. 24-31.
Почему скорость света постоянна? / И. Р. Мубаракшин // Физическое образование в вузах
  • И Р Мубаракшин
Мубаракшин И. Р. Почему скорость света постоянна? / И. Р. Мубаракшин // Физическое образование в вузах. -2018. -Том 24, № 2. -С. 159 -166.
Vsemirnaya istoriya fiziki: S nachala XIX do serediny XX vv
  • . G Dorfman Ya
Dorfman Ya. G. Vsemirnaya istoriya fiziki: S nachala XIX do serediny XX vv./ Ya. G. Dorfman. -Vstup. St. i poslesl. I. K. Kikoina. Izd. 2-e. -M.: Izd-vo LKI, 2007. -320 s. -S. 99.
O postulatah specialnoy terii otnositelnosti / I. R. Mubarakshin // Prostranstvo, vremya i fundamentalnye vzaimodeystviya
  • I R Mubarakshin
Mubarakshin I. R. O postulatah specialnoy terii otnositelnosti / I. R. Mubarakshin // Prostranstvo, vremya i fundamentalnye vzaimodeystviya. -2016. -№ 1. -S. 24-31.
Pochemu skorost sveta postoyanna? / I. R. Mubarakshin // Fizicheskoe obrazovanie v vuzah
  • I R Mubarakshin
Mubarakshin I. R. Pochemu skorost sveta postoyanna? / I. R. Mubarakshin // Fizicheskoe obrazovanie v vuzah. -2018. -Tom 24, № 2. -S. 159-166.
11 klass: ucheb. dlya obshcheobrazovat. uchrezhdeniy i shk. s uglubl. izucheniem fiziki: profil
  • Fizika
Fizika. 11 klass: ucheb. dlya obshcheobrazovat. uchrezhdeniy i shk. s uglubl. izucheniem fiziki: profil.