Откуда мы знаем, что законы физики инвариантны во всех инерциальных системах отсчета?

Комментарий Lefaroundabout важен. Хотя нас обычно учат, что мы используем науку, чтобы познавать вещи, на самом деле это неверное утверждение. Наука — очень мощный инструмент для создания моделей, которые можно использовать для обоснованных прогнозов поведения системы, и она основана на идее опровержимых гипотез, но это не значит, что мы никогда не ошибаемся. Это просто означает, что можно опровергнуть наши гипотезы.

Ваш пример добавления скоростей - отличный пример. Ужасно интуитивно понятно, что скорости складываются. Если я еду в поезде и бросаю бейсбольный мяч, наблюдатель с земли видит, как бейсбольный мяч летит по воздуху со скоростью поезда плюс скорость моего броска. Было бы очень естественно предположить, что свет ведет себя точно так же. На самом деле, я думаю, что большинство людей верят в то, как работает свет, пока учитель естествознания не скажет им обратное.

Теперь давайте введем уравнения Максвелла. Уравнения Максвелла замечательно предсказывают поведение электричества и магнетизма. Вы можете попытаться их фальсифицировать, проводя странные эксперименты по выделению магнитных монополей и так далее, но мы обнаружили, что его законы просто хорошо соблюдаются (по крайней мере, вплоть до квантовой механики, которая сама по себе является зверем и имеет свою собственную историю). . После долгих испытаний научное сообщество пришло к единому мнению, что уравнения Максвелла чертовски надежны. Я не могу сказать, что «они знали, что его уравнения верны», потому что это было бы преувеличением, но их уверенность была очень высока.

Однако есть одна особенность. Уравнения Максвелла предсказывают «скорость света». Но если вы вернетесь к нашему примеру с бейсболом, мы увидим, что бейсбольный мяч движется с разной скоростью в разных инерциальных системах отсчета. Пока я еду в поезде с постоянной скоростью, я смотрю на мир из инерциальной системы отсчета и вижу мяч с одной скоростью. Пока вы стоите на земле, вы смотрите на мир из инерциальной системы отсчета, и вы видите мяч с другой скоростью. В уравнениях Максвелла для этого просто нет места. Они просто говорят, что «свет имеет фиксированную скорость», оставляя ученых размышлять, что с этим делать.

Один из интуитивных подходов состоит в том, чтобы предположить, что свет проходит через среду, а скорость света зависит от этой среды. Это интуитивно понятно, когда вы смотрите на такие эффекты, как перетаскивание бейсбольного мяча. Силы сопротивления бейсбольного мяча зависят не от того, насколько быстро он движется относительно меня или вас, а от того, насколько быстро он движется относительно ветра. Было высказано предположение, что свет может путешествовать в так называемом «светоносном эфире», точно так же, как наш бейсбольный мяч путешествует по воздуху. Это решает загадку уравнений Максвелла: «скорость света» — это скорость света по отношению к эфиру.

Так что это была разумная гипотеза. Точно так же, как ваша гипотеза о «добавлении скоростей», она приводит к естественным способам мышления о свете. Конечно, поскольку это научная гипотеза, она была разработана так, чтобы ее можно было опровергнуть. Если бы можно было продемонстрировать, что движение света не действовало так, как если бы существовала какая-то привилегированная система отсчета (система эфира), то можно было бы опровергнуть эту гипотезу. И они сделали.

Самым известным экспериментом, фальсифицирующим теории эфира, был эксперимент Майклсона-Морли .эксперимент. Благодаря умному использованию интерферометрии они смогли сравнить скорости света, идущего в направлении орбиты Земли вокруг Солнца и пересекающего его. Их цель состояла в том, чтобы определить, был ли эфир неподвижен, или его каким-то образом «тащили» за собой массивные объекты, такие как Земля (подобно тому, как воздух образует сквозняки за большим транспортным средством). Как ни странно, они обнаружили, что не было заметной разницы в скорости света в двух направлениях. Если эфир действительно существовал (во что в то время верили), он был настолько связан с движением Земли, что мы не могли его различить. Это похоже на то, что вы едете за большим транспортным средством, и вместо того, чтобы чувствовать, как ветер тянет вас вперед, вам кажется, что вас замуровали в бетон и с силой тащат!

Многие другие эксперименты также дали подобные результаты, из-за чего теории эфира стали казаться очень ненадежными. Они просто призвали слишком много «махать руками». Исходя из этого, мы разработали бустинг Лоренца, модификации уравнений Максвелла, которые очень эффективно предсказывали результаты таких экспериментов, но делали уравнения ужасно уродливыми. Красота уравнений Максвелла исчезла при преобразованиях Лоренца.

Итак, теперь введите Эйнштейна, сделавшего предположение, что скорость света должна быть одинаковой во всех системах отсчета. Я согласен с вашим первоначальным мнением о том, что странно просто предполагать . Но это было блестяще. Когда он закончил с математикой, уродливые усиления Лоренца, искажавшие уравнения Максвелла, были аккуратно спрятаны в предположении, что скорость света одинакова во всех системах отсчета. Это проделало очень хорошую работу по очистке многих уродств в теориях. Людям понравилось.

Это было не только приятно, но и научно: его можно было опровергнуть. Если бы мы когда-нибудь нашли две инерциальные системы отсчета с разными скоростями света или если бы узнали, что замедления времени не происходит, это опровергло бы теории Эйнштейна, и мы, вероятно, не почитали бы его так, как сегодня. Однако в сотнях (если не тысячах) экспериментов мы обнаружили, что теория Эйнштейна необычайно хороша в предсказании некоторых действительно неудобных и неинтуитивных эффектов.

Таким образом, мы оправдываем его предположение о том, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета постфактум. Мы обнаружили, что результаты этого предположения чрезвычайно полезны и эффективны. В то время это оправдывалось тем, что это было элегантное решение очень сложной проблемы, и оно порождало новые фальсифицируемые гипотезы для проверки (как это делает любая хорошая научная теория).