Номер 5, страница 158 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

5. Как формулируется второй постулат СТО? Какие эксперименты его подтверждают?

Как формулируется второй постулат СТО?

Второй постулат специальной теории относительности (СТО), также известный как принцип постоянства скорости света, является одним из двух фундаментальных положений, на которых Альберт Эйнштейн построил свою теорию в 1905 году.

Формулировка постулата звучит следующим образом: Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя.

Это означает, что, независимо от того, с какой скоростью вы движетесь относительно источника света (например, звезды или фонарика), измеренная вами скорость испущенных им фотонов в вакууме всегда будет равна фундаментальной физической постоянной $c$, приблизительно равной $299\ 792\ 458$ м/с. Этот принцип кардинально противоречит классической механике и закону сложения скоростей Галилея. Например, если в поезде, движущемся со скоростью $v$, включить фонарик, то и наблюдатель в поезде, и наблюдатель на перроне измерят одну и ту же скорость света — $c$, а не $c+v$.

Ответ: Второй постулат СТО утверждает, что скорость света в вакууме является инвариантной, то есть одинаковой для всех наблюдателей, находящихся в инерциальных системах отсчета, и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя.

Какие эксперименты его подтверждают?

Существует множество экспериментальных подтверждений второго постулата СТО, проведенных с высокой точностью. Вот некоторые из наиболее значимых:

• Эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.). Изначально этот эксперимент был поставлен для обнаружения "светоносного эфира" — гипотетической среды, в которой, как предполагалось, распространяется свет. Если бы Земля двигалась сквозь эфир, то скорость света, измеренная на Земле, должна была бы зависеть от направления движения. С помощью высокоточного интерферометра Майкельсон и Морли пытались зафиксировать этот "эфирный ветер", но получили нулевой результат. Отсутствие изменения скорости света при движении Земли по орбите стало первым веским доказательством в пользу инвариантности скорости света.

• Наблюдения за двойными звездами (эксперимент де Ситтера, 1913 г.). Если бы скорость света складывалась со скоростью источника (по принципу Галилея), то свет от звезды, движущейся к нам в системе двойной звезды, доходил бы быстрее, чем свет от той же звезды, когда она движется от нас. Это приводило бы к серьезным искажениям наблюдаемых орбит — например, звезда могла бы казаться в нескольких местах одновременно. Астрономические наблюдения не выявили никаких подобных аномалий, что подтверждает независимость скорости света от скорости источника.

• Прямые измерения скорости света от движущихся источников. Современные эксперименты в физике высоких энергий предоставляют наиболее точные подтверждения. Например, в ЦЕРНе в 1964 году был проведен эксперимент по измерению скорости гамма-квантов (фотонов), испускаемых при распаде нейтральных пионов ($\pi^0$), которые двигались со скоростью около $0.99975c$. Измеренная скорость этих гамма-квантов с высочайшей точностью оказалась равной $c$, а не $c + v_{пиона}$, как предсказывала бы классическая физика.

• Работа системы глобального позиционирования (GPS). Корректная работа GPS является ежедневным и наглядным подтверждением СТО. Для точного определения местоположения необходимо учитывать релятивистские эффекты, в том числе замедление времени на спутниках (следствие СТО) и влияние гравитации (следствие ОТО). Расчеты, основанные на постоянстве скорости света, позволяют системе работать с точностью до нескольких сантиметров. Без учета этих поправок ошибка в определении координат накапливалась бы со скоростью около 10 км в сутки.

Ответ: Второй постулат СТО подтверждается рядом ключевых экспериментов, таких как эксперимент Майкельсона-Морли (отсутствие "эфирного ветра"), астрономические наблюдения за двойными звездами (независимость скорости света от скорости источника), прямые измерения скорости фотонов от релятивистских частиц и повседневная работа системы GPS, которая требует учета релятивистских поправок.