Номер 3, страница 158 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

3. Какие эксперименты подтверждают справедливость первого постулата СТО?

Первый постулат специальной теории относительности (СТО), известный как принцип относительности, утверждает, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Это означает, что никакой физический эксперимент, проведенный внутри замкнутой системы, не может определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно или находится в состоянии покоя. Справедливость этого постулата подтверждается целым рядом экспериментов, в первую очередь теми, которые были направлены на обнаружение гипотетического «светоносного эфира» — среды, которая, как предполагалось в XIX веке, является носителем световых волн и образует абсолютную систему отсчета.

Ключевыми экспериментами, подтверждающими первый постулат СТО, являются:

1. Эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.)

Это самый знаменитый эксперимент, целью которого было обнаружение движения Земли относительно предполагаемого эфира («эфирного ветра»). Альберт Майкельсон и Эдвард Морли использовали высокоточный интерферометр. Идея заключалась в том, что скорость света, измеряемая на Земле, должна была зависеть от направления его распространения относительно направления движения Земли в эфире. Если луч света движется по направлению «эфирного ветра», его скорость относительно прибора должна быть $c - v$, а против ветра — $c + v$, где $c$ — скорость света в эфире, а $v$ — скорость Земли. Для луча, движущегося перпендикулярно, скорость должна была быть $\sqrt{c^2 - v^2}$. Разница во времени прохождения светом двух перпендикулярных плеч интерферометра должна была привести к сдвигу интерференционных полос при повороте установки. Однако, несмотря на высокую точность прибора, никакого сдвига полос обнаружено не было. Нулевой результат эксперимента показал, что скорость света не зависит от движения системы отсчета, что является прямым следствием принципа относительности и опровергает теорию эфира.

2. Эксперимент Траутона-Нобла (1903 г.)

Фредерик Траутон и Генри Нобл поставили эксперимент для обнаружения вращающего момента, который должен был бы действовать на заряженный плоский конденсатор, движущийся через эфир. Согласно классической электродинамике и теории эфира, электромагнитные силы, действующие на пластины движущегося конденсатора, не были бы полностью скомпенсированы и создавали бы крутящий момент, стремящийся развернуть конденсатор перпендикулярно направлению движения. Эксперимент не обнаружил никакого вращающего момента. Этот результат также согласуется с принципом относительности, согласно которому в системе отсчета, связанной с конденсатором, он находится в равновесии, и никаких вращающих моментов возникать не должно.

3. Современные эксперименты в физике частиц

Современные ускорители частиц являются постоянным подтверждением справедливости СТО. Законы, по которым проектируются и работают эти сложнейшие установки, полностью основаны на релятивистской механике и электродинамике. Например, энергия $E$ и импульс $p$ частиц, разогнанных до скоростей, близких к скорости света, связаны соотношением $E^2 = (pc)^2 + (m_0c^2)^2$, которое вытекает из постулатов СТО. Если бы законы физики (в частности, электромагнетизма) зависели от скорости лаборатории, движущейся вместе с Землей по орбите вокруг Солнца и вокруг своей оси, то результаты экспериментов менялись бы в зависимости от времени суток и времени года. Однако многолетние наблюдения показывают, что поведение частиц в ускорителях в точности соответствует предсказаниям СТО независимо от ориентации и скорости лаборатории. Это является мощным подтверждением того, что все инерциальные системы отсчета равноправны.

4. Астрофизические наблюдения

Наблюдения за двойными звездами, вспышками сверхновых и другими удаленными астрономическими объектами также подтверждают первый постулат. Если бы существовала выделенная система отсчета (эфир), то скорость света от разных источников или в разных направлениях была бы различной с точки зрения наблюдателя на Земле. Это привело бы к наблюдаемым искажениям, например, в видимых орбитах двойных звезд. Отсутствие таких эффектов подтверждает инвариантность законов физики, что согласуется с принципом относительности.

Ответ: Справедливость первого постулата СТО (принципа относительности) подтверждается экспериментами, которые показали отсутствие выделенной системы отсчета («светоносного эфира») и инвариантность (неизменность) физических законов в различных инерциальных системах отсчета. Ключевыми из них являются эксперимент Майкельсона-Морли, эксперимент Траутона-Нобла, а также современные высокоточные тесты в физике частиц и астрофизических наблюдениях.