2.9. 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.