Специальная теория относительности

Критика абсолютного пространства и времени Ньютона была высказана Э. Махом. Следующий шаг сделал А. Энштейн созданием специальной теории относительности, из которой вытекало, что при условии отказа от понятия абсолютного времени нет никакой надобности в эфире. (Чуть позже аналогичную позицию высказал и А.Пуанкаре.)

Специальная теория относительности основывалась на постулате относительности: законы науки должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Это означало, что скорость света для любых наблюдателей, независимо от их скорости движения должна быть одинаковой. Важно отметить два следствия, вытекавшие из данного постулата. Первое - закон эквивалентности массы и энергии. Второе - закон, по которому ничто не может двигаться быстрее света.

Из закона эквивалентности массы и энергии (Е =mc2, где Е - энергия, m - масса, с - скорость света) следует, что чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость, причем данный эффект больше проявляется при скоростях, близких к скорости света. (Так, например, при скорости тела, составляющей 10% скорости света, масса данного тела увеличивается на 0,5%, тогда как при скорости тела, равной 90% от скорости света, его масса увеличивается в 2 раза.) По мере приближения скорости тела к скорости света его масса увеличивается все быстрее. Для дальнейшего ускорения требуется все больше энергии. Но скорость тела никогда не может достигнуть скорости света, поскольку в этом случае масса тела оказывается бесконечно большой, а потому для достижения такой скорости потребовалось бы бесконечно большая энергия. Таким образом, принцип относительности позволяет двигаться со скоростью света лишь телам, не обладающим нулевой массой (массой покоя), и налагает запрет на достижение скорости света всем телам, обладающим нулевой массой.

Второе следствие из постулата относительности касается изменения представлений о пространстве и времени. Если в теории Ньютона время прохождения светового импульса, посланного из одной точки в другую, и, измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (ибо время абсолютно), а пройденный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (ибо длина не абсолютна), то разные наблюдатели получат разные значения скорости света (ибо скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на время). В теории относительности у каждого наблюдателя должен быть свой масштаб времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, причем показание одинаковых часов, имеющихся у разных наблюдателей, могут не согласоваться. Оказывается, что в рамках теории относительности нет надобности в понятиях абсолютного времени и эфира, но зато происходит смена представлений о пространстве и времени - теперь они не существуют как нечто не связанное друг с другом, а существует единое пространство-время. Событие, как нечто происходящее в определенный момент времени и в определенной точке пространства оказалось возможным характеризовать четырьмя координатами.

Главная работа Эйнштейна по теории относительности – «К электродинамике движущихся сред». В ней изложен новый подход к проблеме пространства и времени. Эйнштейн понял, что принцип относительности – закон той же абсолютной силы, что и закон сохранения энергии. Поэтому опыты, преследующие цель опровергнуть теорию относительности, равносильны попыткам построить вечный двигатель. Опыт Майкельсона и его аналоги не могут удастся, так как они противоречат теории относительности. В данной работе высказывается принцип о полном равноправии всех систем отсчета, полученных с помощью преобразований Лоренца, и, следовательно, о равноправии всех относящихся к этим системам измерений пространства и времени. Поэтому не существует никакого абсолютного, «действительного» времени, а есть только «местное» время. Вводятся два постулата: принцип относительности и принцип постоянства скорости света. Выводятся следствия теории: относительность одновременности и длин, преобразования Лоренца, сокращение масштабов, замедление хода часов, релятивистский закон сложения скоростей, уравнения преобразования компонент электрического и магнитного полей, аберраций, эффекта Доплера. Несовместимость эфира с теорией относительности привело к пониманию того, что электромагнитное поле представляет собой самостоятельную физическую реальность.

Следующая статья Эйнштейна, посвященная теории относительности – «О принципе относительности и его следствиях». Здесь получены преобразования, отражающие инвариантный характер электромагнитного поля, при этом электрическое и магнитное поля в отдельности теряют при этом свой абсолютный характер. Здесь получено соответствие между инертной массой и энергией, выдвигается принцип эквивалентности, согласно которому гравитационное поле и соответствующее ускорение системы отсчета эквивалентны.

Дальнейшее развитие работ Эйнштейна по специальной теории относительности выполнил Г. Минковский в статье «Пространство и время». В четырехмерном пространстве-времени, для которого справедлива неевклидова геометрия, все события имеют физическую реальность независимо от системы отсчета. Все физические законы инвариантны относительно преобразований Лоренца (мировой постулат). Минковский показал, что преобразования Лоренца могут рассматриваться как поворот осей в четырехмерном континууме.

Таким образом, теория движения Ньютона отбросила представления об абсолютном пространстве, а теория относительности - об абсолютном времени. В общей теории относительности нет единого абсолютного времени. До создания общей теории относительности пространство и время выступали как место для событий, на которое все происходящее не влияет. В общей теории относительности пространство и время изменяются под влиянием происходящих процессов и сами влияют на них. Оказалось, что говорить о пространстве и времени вне пределов Вселенной бессмысленно. Старые представления о вечной и почти не изменяющейся Вселенной сменились представлениями об изменяющейся Вселенной, которая имела начало и, возможно, будет иметь конец.

Таким образом, к началу ХХ века обнаружилась необходимость в коренном пересмотре представлений о пространстве и времени. Эксперименты свидетельствовали, что принцип относительности Галилея (в соответствии с которым механические явления протекают одинаково во всех инерционных системах отсчета) может быть отнесен и к области электромагнитных явлений, а потому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, т.е. должны быть инвариантными. Но это оказалось возможным лишь для случаев, когда преобразования координат и времени при таком переходе отличаются от преобразований Галилея, используемых в ньютоновской механике. Лоренц выразил эти преобразования, но не смог дать им верную интерпретацию - она оказалась возможной в рамках специальной теории относительности.