Продолжаем доступное знакомство с идеями специальной теории относительности (СТО). Начало цикла здесь.
А нужны ли физике постулаты?
Нередко можно услышать мнение: постулаты в физике неуместны! Разве наука вправе декларировать что-то по произволу, вместо того, чтобы добросовестно изучать природу?
Однако без постулатов (как их ни назови) не может быть науки. Смысл физической теории в предсказательной силе, что неизбежно предполагает индуктивное установление некоторых общих принципов на основе частных наблюдений.
Предсказание физических явлений это логический (то есть математический) вывод, решение задачи, дедукция. Теория – логическая система. Значит, в ее основании должны быть положения, выступающие начальными, исходными. Но произвола здесь нет, не надо путать с математикой. Постулаты, по большому счету, берутся из опытов.
Но ведь постулаты Эйнштейна выдуманы произвольно?
Никакого произвола нет.
- Независимость скорости света от движения источника это общее свойство любого волнового движения.
- Одинаковость протекания опытов в любой инерциальной лаборатории – обобщение итогов массы накопленных экспериментов.
Интрига в том, что два "принципа" Эйнштейна представлялись противоречащими друг другу. Если скорость света не зависит от скорости источника, значит, она зависит от среды распространения – «эфира». Появляется выделенная система отсчета.
Более правдоподобным казалось отбросить именно принцип равноправия систем отсчета. Но, поскольку опыты неизменно подтверждали его справедливость, усилия теоретиков были направлены на придумывание эффектов, как-то маскирующих эфир. Наподобие «сокращения Фитцджеральда».
Эйнштейн понял, что мнимая несовместимость является следствием третьего постулата, принимаемого неявно. А именно – абсолютности времени.
Таким образом, он вовсе не ввел произвольные постулаты. А, напротив, убрал из физики лишние: постулат абсолютности времени и надуманные постулаты, с помощью которых пытались объяснить необнаружимость эфира.
Если все-таки усомниться в постулатах Эйнштейна – значит, СТО на помойку?
Не стоит придавать постулатам теории какого-то фундаментального значения. Они имеют скорее дидактический смысл. Как бы говорят учащемуся: гляди – уравнения «выведены»! На самом деле уравнения физики берутся с потолка, и этого нечего стесняться. Можно постулировать прямо преобразования Лоренца – в качестве преобразований, относительно которых инвариантны все законы физики. Или инвариантность интервала. Что явится постулатом, из которого можно вывести всю теорию. Такая аксиоматика вызовет оторопь, но по существу она не хуже любой другой.
Теория проверяется физическими следствиями, а не убедительностью постулатов. Ускоритель частиц, спроектированный по формулам механики Ньютона, действовать не будет – вот главное.
По существу, вся СТО выводится из очень простого тезиса.
Существуют неодновременные события, которые не могут являться друг для друга причиной и следствием.
Например, я щелкнул выключателем – и буду уверять, что через секунду в далекой галактике (из-за этого) зажглась лампочка. Каким-то способом, неважно, каким.
Вы скажете, что такое невозможно? Но согласно кинематике Галилея – возможно! Потому что существует система отсчета, в которой оба эти события произошли в одной точке. Тогда возможность влияния первого на второе не вызывает сомнений.
Получается, что привычная кинематика должна быть поставлена под вопрос. Ну а если не преобразования Галилея, тогда – Лоренца, третьего не дано.