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