Специальная теория относительности Эйнштейна

В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879-1955), служащий Швейцарского патентного бюро в Берне опубликовал работу, посвященную специальной теории относительности, которая разрешила проблемы электродинамики и эксперимента Майкельсона и окончательно разрушила непрочные основы классических понятий пространства и времени. Эта теория основывалась на двух постулатах.

Первый постулат - принцип относительности: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов.

Второй постулат теории Эйнштейна - скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат означает, что равномерное и прямолинейное движение такой лабораторной системы никак не отражается на результатах проводимых в ней опытов, если она не ускоряется и не вращается. Принцип относительности устранил различия в проявлении законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы отсчета и отбросил как ненужную идею о неподвижном эфире ньютоновского абсолютного пространства. Фундамент, на котором более двух столетий " покоилось" здание физики, был снесен одним ударом.

Второй постулат означает, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях и равна 300 тыс. км/с. Казалось бы это противоречит здравому смыслу. Действительно, если космический корабль приближается к какому-либо источнику света со скоростью 100 тыс. км/с, и если свет от этого источника распространяется со скоростью 300 тыс. км/с, то тут здравый смысл подсказывает нам, что относительная скорость космического корабля и света, измеренная экипажем, должна быть равна 400 тыс. км/с. Однако, специальная теория относительности утверждает, что в этом случае наблюдатель определит скорость приходящего к нему света по-прежнему равной ЗОО тыс. км/с!

Хотя выводы такого рода могут показаться абсурдными, они полностью согласуются с результатами опыта Майкельсона и неудачей всех остальных экспериментов, призванных продемонстрировать влияние относительного движения источника и наблюдателя на измеренную величину скорости света.

Вселенная устроена так, что все наблюдатели должны получить в результате своих измерений одну и ту же скорость света. Перед лицом не подлежащих никакому сомнению результатов, полученных в результате множества самых точных и сложнейших экспериментов, нам не остается ничего другого, как признать истинным вывод о постоянстве скорости света, хотя он и противоречит тому ограниченному опыту наших знаний, который именуется... " здравым смыслом".

Выводы из положений специальной теории относительности:

1. Сокращение длины. Как отмечал ранее один из крупнейших физиков- теоретиков Лоренц (1853-1928), движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Если космический корабль проносится с большой скоростью мимо находящегося в неподвижном состоянии наблюдателя, то этому наблюдателю длина корабля покажется короче действительно на величину, зависящую от скорости корабля. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным становится этот эффект, и если бы корабль мог двигаться точно со скоростью света, его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю.

2. Замедление времени. В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдателя. Если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей на большой скорости ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее его собственных. Если бы ракету можно было разогнать до скорости света, то для " покоящегося" наблюдателя время внутри нее остановилось бы.

Эффект замедления времени на борту ракеты касается буквально всего, включая процессы и даже биологические ритмы экипажа. Другими словами, с точки зрения земного наблюдателя члены космического корабля стареют медленнее, чем их космические двойники. Если один из двух близнецов совершит длительное космическое путешествие со скоростью, близкой к скорости света, то по возвращении на Землю он обнаружит, что оставшийся дома его брат стал гораздо старше его самого (парадокс близнецов). Эффект замедления времени подтвержден многими экспериментами с космическими' лучами.

Из СТО следует также относительность одновременности: два события, одновременные в одной ИСО, оказываются неодновременными в другой ИСО.

В том же 1905г. была опубликована небольшая заметка Эйнштейна, где автор находит связь между массой и энергией. " Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии", - заключает Эйнштейн. Так, в науке появилось знаменитое соотношение: Е = mс² ,

где Е - энергия покоящегося тела, m - его масса, с- скорость света в вакууме.

Ключевой момент специальной теории относительности состоит в том, что никакое тело с отличной от нуля массой нельзя разогнать до скорости света, так как для этого потребуется бесконечная энергия, и что никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе.был бы нарушен фундаментальный закон причинности: причина всегда предшествует следствию. Во вселенной тогда нарушилась бы логическая связь событий: они стали бы абсолютно случайными и непредсказуемыми.

Мы знаем, что окружающий нас мир имеет три измерения. Принимая точку зрения Ньютона, мы представляем себе время как независимо существующий, не прекращающийся, ровно текущий поток. По Ньютону пространство и время – абсолютны, т.е. не зависят ни от чего, в том числе друг от друга и от материальных объектов и событий, которые в себя вмещают. Но СТО утверждает, что время и пространство – относительны, т.е. зависят друг от друга, от скорости движения систем отсчета. В 1907 г. немецкий математик Минковский (1864-1909) высказал предположение, что три пространственные и одна временная размерности тесно связаны между собой. Все события во Вселенной должны происходить в четырехмерном пространстве-времени.

Эйнштейн быстро оценил преимущество пространственно-временного описания для специальной теории относительности. С тех пор законы природы записываются в четырехмерном виде.

Итак, наша Вселенная, по-видимому, четырехмерна.

Специальная теория относительности поистине произвела революцию в нашем понимании пространства, времени и Вселенной.

Но это была не единственная революция в физике начала XX в. Примерно в то же время в корне изменились представления о природе излучения и вещества. Это было время становления квантовой теории или квантовой физики.