Экспериментальные основания СТО

Экспериментальные  основания СТО  
 

Специальная теория относительности (СТО ) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света.

В рамках  этой теории классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. 

Данная  теория лежит в основе всей современной физики и какого-либо отдельного эксперимента, «доказывающего» СТО, нет. Вся совокупность экспериментальных данных в физике высоких энергий, ядерной физике, спектроскопии, астрофизике, электродинамике и других областях физики согласуется с теорией относительности в пределах точности эксперимента. 
 
 

Постулаты.

1. Равноправие  ИСО (инерциальной системы отсчёта)

2.  Инвариантность (постоянство) скорости света  в вакууме относительно любой  ИСО. 

Инерциальная  система отсчёта (ИСО) — это такая  система, относительно которой объект, не подверженный внешним воздействиям, движется равномерно и прямолинейно.

 
1. Равноправие ИСО  
Как известно, уравнения Максвелла из-за инвариантности скорости света в вакууме непостоянны относительно преобразований Галилея. Но это, по некоторым представлениям, не противоречило принципу относительности Галилея при условии существования эфира. В результате, в такой ИСО, в которой эфир покоится, уравнения принимали бы обычный вид. В других ИСО, в таком случае, наблюдался бы эфирный ветер, наличие которого привело бы к модифицированию уравнений. А всё это к сохранению принципа относительности Галилея.  
Для подтверждения измерения зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира был проведен опыт Альберта Майкельсона, так называемый, физический опыт, поставленный на его  собственном интерферометре в 1881 году. (Интерферометр - прибор, который позволил впервые измерить длину волны света ). Под эфиром тогда понималась среда, аналогичная объёмнораспределённой материи, в которой распространяется свет подобно звуковым колебаниям. 

Опыт: одно плечо  прибора  направлялось по движению Земли, другое — перпендикулярно  к нему. При повороте всего прибора  на 90° разность хода лучей должна менять знак, вследствие чего должна смещаться интерференционная картина. Расчёт показывает же, что такое смещение  равно D = (2l/ l)(v²/ c²), где l — длина плеча интерферометра, l — длина волны применявшегося света, с — скорость света в эфире, v — орбитальная скорость Земли. Так как величина v/c  для орбитального движения Земли порядка 10^-4, то ожидавшееся смещение очень мало и составляло всего 0,04. Уже на основе этого опыта Майкельсон пришёл к убеждению о неверности гипотезы неподвижного эфира.  
 

 В 1887 году Майкельсон, совместно с Морли, провёл аналогичный, но более точный эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли. Данные опыты дали ограничение по скорости эфирного ветра на 7 км/с (а современные эксперименты ограничили скорость до v<30 м/c).  
Опыт Майкельсона-Морли доказал несуществование эфира и изотропность скорости света в вакууме относительно земной ИСО.  

 
Для выяснения зависимости скорости света от нахождения в различных  ИСО был проведен опыт Кеннеди-Торндайка. Использовался интерферометр Майкельсона с различными длинами плеч. Это приводило к появлению интерференционных полос. Кеннеди и Торндайк наблюдали интерференционные полосы на протяжении 6 месяцев. Земля за это время, переходя в противоположную точку орбиты, участвовала также в движении Солнца. Это приводило к реализации множества ИСО, тем или иным образом отличающихся друг от друга.  
Если бы скорость света в вакууме зависила от ИСО, тогда наблюдалось бы смещение интерференционных полос. Но этого не было.

Это подтверждает равноправность всех ИСО.

 
 
2. Инвариантность(постоянство)  скорости  света в вакууме относительно  любых ИСО  
В том же XIX веке Вальтер Ритц создал баллистическую теорию, согласно которой скорость распространения света зависит от движения источника:  такая гипотеза могла бы объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли . 
Но астрофизические наблюдения являются убедительным опровержением подобной идеи. Например, при наблюдении двойных звёзд, вращающихся относительно общего центра масс, в соответствии с теорией Ритца происходили бы эффекты, которые на самом деле не наблюдаются (аргумент Виллима де Ситтера). Действительно, скорость света («изображения») от звезды, приближающейся к Земле, была бы выше скорости света от удаляющейся при вращении звезды. При большом расстоянии от двойной системы более быстрое «изображение» существенно обогнало бы более медленное. В результате, видимое движение двойных звёзд выглядело бы достаточно странным, что не наблюдается. Иногда встречается возражение, что гипотеза Ритца «на самом деле» верна, но свет при движении сквозь межзвёздное пространство переизлучается атомами водорода, имеющими в среднем нулевую скорость относительно Земли, и достаточно быстро приобретает скорость c. Однако, если бы это было так, возникала бы существенная разница в изображении двойных звёзд в различных диапазонах спектра, так как эффект «увлечения» средой света существенно зависит от его частоты ^.

В опытах Томашека (1923 г.) при помощи интерферометра сравнивались интерференционные картины от земных и внеземных источников (Солнце, Луна, Юпитер, звёзды Сириус и Арктур). Все эти объекты имели различную скорость относительно Земли, однако смещения интерференционных полос, ожидаемых в модели Ритца, обнаружено не было. Эти эксперименты в дальнейшем неоднократно повторялись. Например, в эксперименте Бонч-Бруевича М. А. и Молчанова В. А. (1956 г.) измерялась скорость света от различных краёв вращающегося Солнца. Результаты этих экспериментов также противоречат гипотезе Ритца  
И все опыты подтверждали инвариантность скорости света.

Релятивистское замедление времени в физике высоких энергий.

Постоянное подтверждение в экспериментах получает, то, что время движущихся объектов течёт медленнее . Например, время жизни мюонов в кольцевом ускорителе в крупнейшей в мире лаборатории CERN(Европейская организация по ядерным исследованиям ) с точностью увеличивается в соответствии с релятивистскойформулой. В данном эксперименте скорость мюонов была равна 0.9994 от скорости света, в результате чего время их жизни увеличилось в 29 раз. Этот эксперимент важен также тем, что при 7-метровом радиусе кольца ускорение мюонов достигало значений 10¹⁸ от ускорения свободного падения. Это в свою очередь, свидетельствует о том, что эффект замедления времени обусловлен только скоростью объекта и не зависит от его ускорения.

Измерение величины замедления времени проводилось  также с макроскопическими объектами. Например, в эксперименте Хафеле — Китинга проводилось сравнение показаний неподвижных атомных часов, и атомных часов, летавших на самолёте.

Мюо́н (от греческой  буквы μ, использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином ½ 

Фактически СТО  является инженерной наукой. Её формулы  используются при расчёте ускорителей  элементарных частиц. Обработка огромных массивов данных по столкновению частиц, двигающихся с релятивистскими скоростями в электромагнитных полях, основана на законах релятивистской динамики, отклонения от которых обнаружено не было. Поправки, следующие из СТО и ОТО, используются в системах спутниковой навигации (GPS). СТО лежит в основе ядерной энергетики, и т. д.