19. Основные положения и выводы специальной и общей теории относительности.

Принцип относительности впервые сформулирован Г. Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета, такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-либо другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью.

Для инерциальных систем выполняется механический принцип относительности – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму (т.е. уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются).

А. Эйнштейн в 1905 г. сформулировал принципы специальной теории относительности. В обобщенном виде они формулируются так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Специальная теория относительности включает 2 постулата:

1. принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системе к другой;

2. принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Инвариантность – неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой.

Следствием постулатов СТО являются преобразования Лоренца, заменяющие собой преобразования Галилея для нерелятивистского, «классического» движения. Эти преобразования связывают между собой координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных инерциальных систем отсчёта.

Именно они описывают такие знаменитые эффекты, как замедление хода времени и сокращение длины быстродвижущихся тел, существование предельной скорости движения тела (коей является скорость света), относительность понятия одновременности (два события происходят одновременно по часам в одной системе отсчета, но в разные моменты времени по часам в другой системе отсчета).

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Специальная теория относительности перестает работать в масштабах всей Вселенной, а также в случаях сильных полей тяготения, где её заменяет более общая теория — общая теория относительности. Специальная теория относительности применима и в микромире, её синтезом с квантовой механикой является квантовая теория поля.

Общая теория относительности - теория тяготения, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии.

В поле тяготения пространство-время обладают кривизной, что связано с присутствием массы и движения. Пространство и время зависят от материи, т.е. любое тело может менять геометрию пространства. Чем больше масса, тем больше искривляется пространство-время.

«Если из Вселенной убрать всю материю, исчезнут пространство и время» - пространство и время возникли, потому что появилась первоматерия; никакого «до» не существует.

«Если часы запустить со скоростью света, время замедлится», «Если стержень запустить со скоростью света, он сократится до 0» - при приближении к скорости света пространство сужается, а время замедляется.

Доказательство ТО на уровне микромира:

Пи-мезон – время жизни медленно движущегося меньше, чем того, который двигается со скоростью близкой к световой.

Нуклон (протон, нейтрон) по отношению к медленно движущейся частице проявляет себя как сфера; если частица имеет околосветную скорость, нуклон проявляет себя как диск.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности стали три классических эффекта, перечисленных ниже в хронологическом порядке их первой проверки:

1. Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона.

2. Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца.

3. Гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле.