Тема 7.
Теория относительности
А. Эйнштейна (мегамир)
Как уже было сказано в разделе о микромире, новая физика роди-
лась на рубеже XIX и ХХ веков, поскольку классическая наука не
могла объяснить результаты ряда экспериментов, проведенных в
XIX веке. Из стремления объяснить рентгеновское излучение и ра-
диоактивность возникли квантовая механика и ядерная физика.
Теория относительности А. Эйнштейна выросла из попытки объяс-
нить результаты опыта американского физика А. Майкельсона по
определению скорости света относительно неподвижного эфира, су-
ществование которого предположил Дж. Максвелл. Результаты опы-
та Майкельсона, за которые он получил Нобелевскую премию, были
неожиданными: оказалось, что скорость света не зависит от скорости
источника света, что она является мировой константой и постоянна
во всех инерциальных системах отсчета и что ее нельзя превысить,
т.е. скорость света – это максимальная скорость передачи сигнала. В
итоге опыт Майкельсона показал, что эфира не существует. Резуль-
таты опыта Майкельсона стали первым из «китов», на которых осно-
вывается специальная теория относительности. Вторым «китом» стал
принцип относительности Г. Галилея, который А. Эйнштейн пере-
формулировал так: все инерциальные системы отсчета эквивалент-
ны друг другу в отношении постановки в них любых физических
экспериментов, и ни одна из них не имеет преимуществ перед дру-
гими (относительно которой эфир был бы неподвижен).
А. Эйнштейн был величайшим теоретиком, и при работе над тео-
рией относительности он использовал прием мысленного экспери-
мента. Результатом логических рассуждений и математических вы-
кладок явилась смена парадигм: Эйнштейн пришел к выводу, что
Разумова Е.Р.
30
при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света (а это скоро-
сти мегамира, объектами которого являются звезды, галактики и
Вселенная), не работает парадигма Ньютона об абсолютности и не-
зависимости пространства и времени. Отсюда следовало, что про-
странство и время взаимосвязаны, и время является четвертой коор-
динатой, т.е. пространство как минимум четырехмерно. Из этого вы-
текало три следствия: 1) при больших скоростях, соизмеримых со
скоростью света, расстояние сокращается, отрезок укорачивается и
при скорости света (если бы она оказалась достижимой) стягивается
в точку; 2) при больших скоростях время замедляется (пример Эйн-
штейна «парадокс близнецов») ; 3) масса тела не зависит от скорости
тела. Отсюда следует, что никакое тело с массой, отличной от нуля,
нельзя разогнать до скорости света, т.к. для этого потребуется беско-
нечная энергия. Далее А. Эйнштейн нашел связь между массой и
энергией: масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Так
появилась знаменитая формула Е= mc², где Е – энергия покоя час-
тицы, m – его масса покоя, с – скорость света.
Экспериментальное подтверждение специальной теории относи-
тельности пришло из микромира. Выяснилось, что при опытах с эле-
ментарными частицами, которые в специальных ускорителях разго-
няют до очень больших скоростей, для хорошего согласия экспери-
ментальных и расчетных данных следует учитывать эффект возрас-
тания массы, так называемые релятивистские поправки к массе.
Сказанное свидетельствует о том, что специальная теория относи-
тельности описывает не только мегамир, но также и микромир. В
макромире же скорости слишком низки, а массы слишком велики,
чтобы экспериментально наблюдать релятивистские эффекты.
Общая теория относительности
Описанная выше специальная теория относительности никак не
учитывает гравитацию. Эйнштейн предположил, что массы, вло-
женные в четырехмерное пространство – время, искривляют его и
что все объекты – и частицы, и лучи света – будут двигаться не по
прямым, а по геодезическим линиям (геодезическая линия на сфере
– это дуга). Чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше
оно искривляет окружающее его пространство – время, и тем боль-
шую силу притяжения испытывают соседние тела. Кроме того, массы
создающие гравитационное поле, изменяют течение времени: чем
сильнее гравитация, тем медленнее течет время.
Концепции современного естествознания
31
Общая теория относительности нашла экспериментальное под-
тверждение в опыте с лучом света от звезды, проходящим мимо
Солнца и наблюдаемым во время солнечного затмения. Оказалось,
что луч проходит не по прямой, а по дуге, поскольку Солнце, являясь
огромной гравитационной массой, искривляет пространство вокруг
себя.
Добавим еще, что описанное здесь словами упрощенное представ-
ление о теории относительности А. Эйнштейн представил, используя
сложнейший математический аппарат. Часть этого аппарата, необ-
ходимая при работе над общей теорией относительности, была раз-
работана еще в XIX веке русским математиком Н.И. Лобачевским и
немецким ученым Б. Риманом. Это была геометрия на сфере.
Может показаться, что все изложенное выше противоречит здра-
вому смыслу. Это происходит потому, что в мегамире (как и в микро-
мире) мы не можем обратиться к спасительной наглядности: мы жи-
вем в макромире, и очень трудно представить себе четырехмерное
искривленное пространство и замедляющееся время, а также микро-
частицу, которая одновременно является волной. Но в древности лю-
дям так же сложно было представить себе, что шарообразная Земля
несется вокруг Солнца, это тоже казалось противоречащим здравому
смыслу, однако в результате оказалось верным. Классическая физи-
ка оказывается справедливой как предельный частный случай, ко-
гда скорости намного меньше скорости света, а массы намного мень-
ше масс в мегамире.
Таким образом, создание А. Эйнштейном теории относительности
расширило представления человечества об окружающем мире и соз-
дало теоретический фундамент современной астрономии.
Контрольные вопросы по Теме 7:
1. Чей опыт послужил толчком для создания теории относитель-
ности?
2. В чем суть основной парадигмы А. Эйнштейна?
3. Что такое «парадокс близнецов»?
Литература: 6, 7, 17, 18, 21.
Разумова Е.Р.
32