Используем принцип относительности для анализа простого опыта.

Рассмотрим уже известные нам инерциальные системы отсчета K и K1, относительная скорость которых равна v. Проделаем в системе K опыт по определению скорости света. Назовем его условно «опыт L».

Для этого возьмем источник света S, неподвижный в системе K, и каким-нибудь способом (например, способом Физо) измерим скорость света. Наша экспериментальная установка неподвижна в системе K. Пусть мы получили, что скорость света равна какому-то числу c.

Сдублируем нашу установку в системе K1 которая движется относительно системы K так, как это показано на рисунке (возьмем источник S1, неподвижный в системе K1 и т. д.), и проделаем аналогичный «опыт L1». Все условия «опыта L1» относительно системы K1 тождественно повторяют условия «опыта L» относительно системы K.

Согласно принципу относительности скорость света, измеренная в «опыте L1», снова должна оказаться равной c, поскольку одна инерциальная система ничем не хуже другой.

Действительно, получив другое значение скорости света в системе K1, мы убедились бы, что законы природы различны в различных инерциальных системах. Пока все хорошо.

Но мы имеем полное право рассматривать любой опыт из любой системы отсчета. Рассмотрим и опишем «опыт L1», используя систему K.

В системе K источник света S1 и вся экспериментальная установка движутся направо со скоростью v. И мы сейчас убедимся, что в ней скорость светового луча, бегущего от этого источника направо, равна скорости света плюс скорость системы K1 относительно системы K, то есть (c + v). И соответственно, налево свет бежит со скоростью, равной разности скорости света и скорости системы K1, то есть (с – v).

Мы подошли к очень важному месту и, чтобы лучше понять дальнейшее, перейдем от общих, абстрактных рассуждений к конкретному примеру.

Пусть физик находится со своей установкой в вагоне равномерно идущего поезда. Измерения, которые он провел, показывают, что скорость света относительно источника не зависит от направления, а постоянна и равна определенному числу — c. Иначе говоря, он установил, что свет одновременно достиг передней и задней стенок вагона через t, и определил скорость

Если вагон сделан из стекла, наблюдатель на полотне дороги также может изучать процесс распространения света. Однако для него все будет выглядеть несколько по-другому.

Пока свет бежит от источника к стенкам вагона, поезд проезжает некоторое расстояние. Передняя стенка «убегает», а задняя «бежит навстречу» световому лучу. До нее свет должен пройти меньшее расстояние. Но свет достигает стенок одновременно! Очевидно, это может быть только, если вперед свет распространяется с большей скоростью, чем назад.

Скорости эти можно найти совершенно просто. Как только что было сказано, скорость светового луча «вперед» равна c + v, а «назад» с – v (здесь v — скорость вагона).

Тот же самый вывод можно получить, рассуждая несколько иначе. Относительно источника света скорость света постоянна и в любой системе отсчета равна с (принцип относительности!).

Если луч света из фар паровоза «убегает» от поезда со скоростью c, а поезд «убегает» от наблюдателя на полотне со скоростью, v, то от наблюдателя на полотне свет «убегает» со скоростью c + v. Соответственно скорость луча света, посланного из фонарика на концевом вагоне, относительно полотна дороги равна с – v. В этом мы убеждаемся сразу, применив формулу сложения скоростей.

Говоря иначе, мы пришли к выводу, что скорость света зависит от движения источника. При выводе этого положения мы использовали только принцип относительности, и потому, если наше утверждение не оправдывается на опыте, принцип относительности для электромагнитных явлений несправедлив.