2. Специальная и общая теория относительности а. Эйнштейна

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т. е. она рассматривала поведение материальных объектов с конеч­ным числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механи­ческими свойствами тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний меж­ду телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж.К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по пря­мым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью.

Как отмечал Эйн­штейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что «недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы» (Эйнштейн А. Принцип относительности. — Петроград.: Научное книгоиздательство, 1922. С. 14.) Из теории Максвел­ла вытекал вывод о конечной скорости распространения элек­тромагнитных взаимодействий и существовании электромаг­нитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматри­ваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов со­хранения и принципа близкодействия благодаря введению по­нятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по словам Эйнштейна, явилось "самым важным достиже­нием со времени Ньютона".⁵ Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень сущест­венно для описания физических свойств пространства и време­ни.

Специальная теория относительности, созданная в 1905г., А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синте­за классической механики Галилея— Ньютона и электродина­мики Максвелла—Лоренца. "Она описывает законы всех физи­ческих процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, та­ким образом, оказывается ее частным случаем".⁶

Если классический принцип относительности утверждал инвариантность (неизменность) законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.

В соответствии со специальной теорией относительности пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т.е. двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими (относительными), так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом.

Специальная теория относительности объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум (континуум (лат. continuum – непрерывное) – непрерывная совокупность) В нем время эквивалентно пространственным координатам и играет роль четвертого измерения.

Согласно принципу относительности все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отделенное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпадет из хода развития на Земле.

Итак, в основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

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 системы 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.

Первый постулат, являясь обобщением механиче­ского принципа относительности Галилея для любых физических процессов, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно данному постулату все инерциальные системы отсче­та совершенно равноправны, т. е. явления механиче­ские, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают оди­наково.

Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме — фундаментальное свойство приро­ды. Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоре­чили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсо­лютное время.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.

“Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света”.⁷ Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени.

В специальной теории относитель­ности А. Эйнштейна

современная формулировка принципа относи­тельности такова:

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.

Вместе с принципом относительности в физике утвердилось понятие инвариантности, а также, связь ее с законом сохранения и вообще с законами природы.

Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. В спе­циальной теории относительности постулируется ин­вариантность законов природы и скорости света в вакууме.

Специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классиче­ской ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изо­тропно. Специальная теория часто называется реляти­вистской теорией, а специфические явления, описы­ваемые ею, — релятивистским эффектом.

Теория относительности была первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше про­странство и время рассматривались обособленно от движения материальных тел, а само движение незави­симо от систем отсчета т.е. как абсолютное, то с воз­никновением специальной теории относительности бы­ло твердо установлено:

• всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут при­ниматься за системы отсчета, связанные с опреде­ленной системой координат;

• пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определя­ют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хо­тя и отличная от пространственных координат;

• специальная теория относительности показа­ла, что одинаковость формы законов механики для всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинами­ки, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца.

• при обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процес­сы постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

Общая теория относительности, называемая ино­гда теорией тяготения, — результат развития специ­альной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

Общая теория относительности отказывается от требования рассмат­ривать лишь инерциальные системы отсчета, как это делает специальная теория. Благодаря такому глубокому обобщению она приходит к выводу: все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы.