Відхилення від законів механіки Ньютона

Класична механіка грунтується на принципі відносності Галілея і законах Ньютона. Принцип відносності Галілея, встановлений на підставі дослідів, стверджує рівноправність усіх інерціальних систем відліку (ІСВ) стосовно механічних явищ. Ніякими механічними дослідами, проведеними всередині даної ІСВ, неможливо встановити, перебуває вона в стані спокою чи рухається рівномірно і прямолінійно. Рівняння механіки Ньютона інваріантні відносно перетворень Галілея, тобто вони не змінюються при переході від однієї ІСВ до іншої. Принцип відносності Галілея фактично стверджує, що в будь-якій ІСВ властивості простору і часу однакові. Іншими словами, просторово-часове описання механічних процесів є незмінним у різних інерціальних системах відліку.

Наприкінці XIX та на початку XX ст. виявилось, що закони механіки Ньютона суперечать деяким експериментальним спостереженням.

Перш за все вкажемо на результати дослідів В. Кауфмана, який вивчав відхилення - частинок одночасно в електричному і магнітному полях. Він визначив відношення заряду до маси -частинки (електрона) із співвідношення і вперше (1902 р.) виявив, що відношення е/mе є функцією швидкості v частинки. Цей дослідний факт наштовхнув його на думку, що маса частинки залежить від її швидкості. При швидкостях електрона, значно менших від швидкості світла у вакуумі (v<<с, с=3108 м/с), отримана із досліду залежність v2(U) є лінійною і практично збігається з розрахунковою залежністю (штрихова лінія 2) при e=1,610-19 Кл, mе=9,1-10-31 кг. Тобто при v << с результати досліду пояснюються законами механіки Ньютона. Однак при великих швидкостях електрона, сумірних із швидкістю світла у вакуумі (v  с), залежність v2(U) зростає набагато повільніше від розрахункової і не перевищує с2. Отже, при швидкостях частинки, близьких до швидкості світла, спостерігається відхилення від законів Ньютона.

Швидкість світла була визначена ще в 1678 р. із спостережень за порушеннями періодичності затемнень супутників Юпітера. Такі самі результати були отримані із спостережень аберації зірок, а пізніше з дослідів, проведених у земних умовах. Ці дослідження підтверджували, що швидкість світла має цілком конкретне значення, її теоретично розрахував Дж. Максвелл (1831 —1879) як швидкість поширення електромагнітних хвиль. Із створеної Максвеллом теорії електромагнітного поля випливало, що швидкість світла у вакуумі (0 і 0 — електрична і магнітна сталі). Цей результат досить добре узгоджується із визначеною експериментально швидкістю світла.

У період з 1881 по 1929 р. були проведені досліди з вимірювання швидкості світла в різних інерціальних системах відліку. Не розглядаючи докладно окремі досліди, вкажемо тільки основну ідею і отриманий в цих дослідах результат. Ідею цих дослідів можна узагальнити, звівши її до такої задачі. Від джерела світла, нерухомого в інерціальній системі відліку, поширюється світло. Відносно спостерігача (приймача світлового сигналу), нерухомого в цій системі відліку, швидкість світла дорівнює с. Експериментально вимірювалась швидкість світла с' відносно спостерігача, який рухається прямолінійно і рівномірно з швидкістю іт0 відносно джерела. Згідно з класичним законом додавання швидкостей повинно бути де знак "плюс" відповідає рухові спостерігача в напрямі до джерела, а знак "мінус" — від джерела. Однак результати дослідів показали, що с' - с . Тобто швидкість світла не залежить від швидкоті руху спостерігача або джерела і однакова в усіх напрямах. Цей результат означав, що для поширення світла порушується класичний закон додавання швидкостей і, отже, виникає сумнів щодо справедливості перетворень Галілея.

Для пояснення цих та інших дослідних фактів необхідно було створити нову механіку, яка описує класичні закони руху тіл при будь-яких швидкостях, як завгодно близьких до швидкості світла. Така механіка називається релятивістською.

У 1905 р. А. Ейнштейн створив спеціальну теорію відносності, на якій грунтується релятивістська механіка.