Принцип инвариантности скорости света

Принцип инвариантности скорости света следует из принципа относительности[1] (гласящего, что все физические законы инвариантны относительно выбора инерциальной системы отсчёта) и является воплощением лоренц-инвариантности электродинамики. Более обобщенно можно говорить, что максимальная скорость распространения взаимодействия (сигнала), называемая скоростью света[2], должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчёта.

Данное утверждение очень непривычно для нашего повседневного опыта. Мы понимаем, что скорости (и расстояния) меняются при переходе от покоящейся системы к движущейся, при этом интуитивно полагая, что время абсолютно. Однако принцип инвариантности скорости света и абсолютность времени несовместимы. Если максимально возможная скорость инвариантна, то время идёт различным образом для наблюдателей, движущихся друг относительно друга. Кроме этого, события одновременные в одной системе отсчёта, будут неодновременны в другой.

До опытов Майкельсона — Морли в 1887 году (первые результаты были получены Альбертом Майкельсоном ещё в 1881 году), существовало три мнения относительно модели эфира:

• Эфир неподвижен и существует абсолютная система отсчета (АСО), связанная с эфиром. При движении тел в АСО должен регистрироваться «эфирный ветер» и как следствие скорость света в разных направлениях при движении относительно АСО будет разной.
• Тела при движении в неподвижном эфире (относительно АСО) сокращаются в продольном к скорости направлении (Дж. Ф. Фицджеральд). Свет из-за сокращения измерительных масштабов во всех направлениях будет иметь одну и ту же измеренную скорость.
• Эфир полностью (Герц) или частично (Френель) увлекается телами, в частности Землей при своем орбитальном движении. Эфирный ветер на Земле не регистрируется по причине его малости или отсутствия.

А. Майкельсон задался целью с помощью оптических опытов подтвердить или опровергнуть теорию «неувлекаемого эфира». Дж. К. Максвелл указал на невозможность выявления эффектов первого порядка (относительно ${\displaystyle {\frac {v}{c}}}$) независимо от применяемой теории эфира. При движении луча света «туда-обратно» световому лучу требуется одно и то же суммарное время, независимо от сложения скорости света со скоростью источника. Для наблюдений возможных оптических эффектов второго порядка (относительно ${\displaystyle {\frac {v^{2}}{c^{2}}}}$), связанных с теорией «неувлекаемого эфира», Майкельсон поставил опыт с интерферометром. Результаты опыта показали незначительность оптических эффектов второго порядка, связанных с орбитальным и галактическим движением Земли. Влияние «эфирного ветра» на оптические эффекты второго порядка в пределах свыше 6 км/с обнаружено не было, теория неподвижного эфира была поставлена под сомнение. Результаты и методика расчётов опыта Майкельсона являлись плодами его оригинальных изобретений, связанных со сложностью физики увлекаемого эфира, а законы отражения движущихся зеркал значительно усложнили его расчёты[3]. Оставшиеся модели эфира из-за разногласий и попыток построить «механическую» модель с вытекающими явными противоречиями («сверхтвёрдый эфир»), не удавалось развить до законченного вида.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн в своей работе «К электродинамике движущихся тел» постулирует принцип относительности и инвариантность скорости света в инерциальных системах отсчета. Опираясь на «мысленные эксперименты», приведенные в своей работе, он выводит преобразования между движущимися и покоящимися инерциальными системами отсчета, в математическом виде схожие с преобразованиями Лоренца. Со временем изменилось само представление о пространстве и времени, и в соответствии с ним механика стала такой же лоренц-инвариантной, как оптика и электродинамика. Классические преобразования Галилея являются приближёнными и справедливыми для малых (по сравнению со скоростью света) скоростей. В общем же случае необходимо применять релятивистские преобразования Лоренца, которые легли в основу специальной теории относительности Эйнштейна.

В 1960—70-х годах в реферативных журналах часто попадались ссылки на зарубежные работы, в которых рассматривались варианты специальной теории относительности, построенные на предположении неравенства скоростей света в противоположных направлениях. Эти варианты назывались ε-СТО и непротиворечивым способом описывали все то, что описывается СТО. Правда, большинство из них были более «тяжеловесны» и менее удобны, чем вариант Эйнштейна, поскольку в них нарушалось требование неизменности математической формы записи законов в разных системах отсчета. Большинство работ этих авторов не были направлены против эйнштейновского варианта, а показывали непротиворечивость нетрадиционного подхода. Авторы этих работ стремились, нарушив математическую красоту СТО, вскрыть её физическое содержание и раскрыть загадку скорости света в одном направлении[4].

Нередко говорят, что скорость света в одном направлении была измерена Рёмером. Однако скорость Рёмера — это тоже скорость, полученная в неявном предположении равенства скоростей света в противоположном направлении. Дело в том, что Рёмер и Кассини рассуждали о движении спутников Юпитера, заведомо предположив, что пространство наблюдателей изотропно. То, что Рёмер фактически измерил скорость света, неявно сделав предположение о равенстве скорости света туда и обратно, показал австрийский физик Карлов[5].

Инвариантность скорости света в лаборатории, покоящейся относительно поверхности Земли, на сегодняшний день твёрдо установлена экспериментально. Интерес представляет поиск возможных небольших отклонений от этого закона[6].