Специальная теория относительности

СТО была построена в 1905 г. Альбертом Энштейном и нашла отражение в его публикации «К электродинамике движущихся сред». Правда, релятивистские идеи в начале XX века практически висели в воздухе, в частности благодаря работам Лоренца и Пуанкаре. СТО, в конечном счёте, удалось снять все противоречия, накопившиеся между электродинамикой Максвелла и классической физикой в лице механики, путём радикальной трансформации представлений о физическом пространстве и времени. Во-первых, это означало, что в основу релятивистской физики кладётся не Ньютоновская субстанциальная концепция пространства и времени, а так называемся реляционная концепция пространства и времени. Во-вторых, СТО не представляет собой физической теории, открывшей в мире что-то принципиально новое, а является теорией пространства и времени мира сверхвысоких скоростей (вплоть до С). Оказалось, что релятивистское пространство-время радикально отличается от таковых в классической физике.

В основе СТО лежат два знаменитых постулата, представляющие собой сведения фактического порядка касательно фундаментальных физических свойств мира. Во-первых, это специальный принцип относительности, являющийся обобщением классического принципа относительности Галилея. Он сформулирован исключительно для инерциальных систем отсчёта, т.е. таких систем отсчёта, которые движутся равномерно и прямолинейно, либо покоятся. Этот постулат утверждает, что законы природы во всех инерциальных системах отсчёта одинаковы (в физическом смысле) и ковариантны (в математическом смысле). Различия между системами отсчёта определяются так называемыми граничными условиями, в т. ч. начальными, которые специфицируют каждую из подобных систем отсчёта. Второй постулат СТО представляет собой утверждение о фиксированном значении и предельном характере скорости распространения физических взаимодействий, отождествляемых со скоростью света в вакууме (около 300 000 км/сек). В принципе это означает, что принцип дальнодействия, характерный для классической физики и утверждающий мгновенный характер любых взаимодействий, т.е. бесконечную скорость их распространения, заменяется в релятивистской физике принципом близкодействия, связанным с указанием на порог скорости, за которым больших значений скоростей не существует. Именно этот постулат приводит к необходимости пересмотра основных физических представлений о пространстве и времени, связанных с реляционной концепцией пространства и времени. Во-первых, в рамках реляционной концепции пространства и времени приходится объединять пространство и время, существовавшие в классической физике раздельно, в единый т.н. пространственно-временной континуум, в котором помимо 3-х пространственных измерений присутствует 4-е, временное, однако это измерение является мнимым, комплексным. Поэтому адекватное понимание пространства и времени как единой сущности имеет смысл только в математическом отношении, но в физическом отношении, время – всё-таки не пространство, и поэтому приходится говорить, что пространственно-временной континуум является не 4-мерным, а 3+1-мерным. Математическую идею континуума предложил в 1906 г. известный немецкий математик Герман Менковский.

Кроме того, реляционная концепция пространства и времени фактически снимает вопрос о полисубстанциальности мироздания, утверждая, что мировая субстанция одна, и эта субстанция есть материя во всех известных нам видах и формах (вещество, физическое поле, квантовый вакуум). Тогда чем же являются пространство и время по отношению к материи. Концепция, являясь физической реализацией известных философии идей, настаивает на том, что пространство и время есть не что иное, как формы существования материи, без которых и вне которых она существовать неспособна. Это означает также, что невозможен мир, такой как в классической механике, в котором отсутствие в нём вещества не означало в нём пространства и времени. В релятивистском мире изъятие материи означает полное уничтожение мира.

Кроме того, реляционная концепция пространства и времени делает вывод о том, что пространство и время, а также некоторые другие физические характеристики относительны до такой степени, что из разных систем отсчёта, и прежде всего движущихся с максимальными скоростями, свойства, и, как следствие, восприятие пространственных и временных характеристик, могут быть принципиально различными. В математическом смысле это фиксируется преобразованиями Лоренца, являющиеся аналогами преобразований Галилея, для мира релятивистских явлений. Основным математическим отличием преобразований Лоренца от преобразований Галилея является знаменатель, в котором присутствует корень квадратный из 1 минус скорость объекта в квадрате, делёную на скорость света в квадрате. В случае если V=C, знаменатель схлопывается в 0 и преобразования Лоренца становятся мнимыми, а в случае, если скорость V минимальна, преобразования Лоренца становятся преобразованиями Галилея.

Однако, при всей относительности процессов в мире, в теории остаётся безотносительная величина, а именно единый пространственно-временной интервал, который является инвариантной величиной и некоторым аналогом абсолютных характеристик.