Теория относительности Эйнштейна

Необходимость пересмотра представлений о пространстве и времени. Как следует из вышесказанного, все попытки сохранить представле­ние об абсолютности пространства и времени, и объяснить отрицатель­ный результат опыта Майкельсона терпели неудачу. Любая кон­цепция не давала ничего нового по сравнению с прежними представле­ниями и поэтому казалась надуманной, “притянутой за уши” только для того, чтобы спасти представление об эфире. Требовался неординарный революционный подход к объяснению отсутствия “эфирного ветра”.

Ни у кого не вызывает сомнения, что скорость тела различна в раз­личных системах отсчета. Бессмыслен, например, вопрос: “Тело дви­жется или покоится?” - если не указано относительно чего рассматрива­ется движение. Так почему бы ни предположить, что “Длина не есть характеристика тела самого по себе, как считала классическая физика, она выражает отношение тела к системе отсчета и имеет смысл лишь в связи с той или иной системой отсчета. Временной промежуток не есть свойство событий само по себе, а опять-таки выражает их отношение к системе отсчета и только в ней имеет смысл. Причем, эта зависимость становится заметной лишь при околосветных скоростях и, поэтому нам так трудно освободиться от иллюзий абсолютной длины и абсолютного времени”.¹ В 1905 году Альберт Эйнштейн смог преодолеть стереотип мышле­ния, в результате чего идея абсолютности пространства и времени ушла в историю науки.

Пространство и время в теории относительности. Из опыта Майкельсона следовал еще один удивительный факт. Отсутствие “эфирного ветра” тождественно по своей сути незави­симости скорости света от системы отсчета. Другими словами: скорость света постоянна в любой системе отсчета. Более того, на данный момент, скорость света - единственная физическая константа, которая теоретиче­ски определяется через другие постоянные, определяющие свойства пространства.

(2)

где с - скорость света; _о - диэлектрическая проницаемость вакуума; _о - магнитная проницаемость вакуума.

Причем эта зависимость получается из уравнений Максвелла без учета какой-либо системы отсчета. Это можно рассматривать как теоре­тическое доказательство постоянства скорости света. Преобразования Лоренца, в отличие от преобразований Галилея, удовлетворяют этому условию. Если придерживаться двух вышеупомянутых концепций, то постоянство скорости света есть кажущееся явление: в первом случае создается такая иллюзия потому, что изменяется абсолютная длина тел, во втором - связана с субъективностью наблюдателя. Если же предполо­жить, что это действительный факт, что и сделал Эйнштейн в своей теории, выдвинув постулат о неизменности скорости света в вакууме, то мы с неизбежно­стью приходим к относительности пространства и времени. Это проявляется в следующих эффектах.

Парадоксы специальной теории относительности. Уже сокращение размеров тел и замедление хода времени в движу­щейся системе отсчета выглядели парадоксально и не укладывались в рамки “здравого смысла”. Но эти эффекты не приводили к проти­воречиям, поэтому с этим еще можно было смириться. У противников Эйнштейна были более веские причины доказывать несостоятельность теории относительности.

Из относительности одновременности следовало, что последователь­ность событий в одной системе отсчета может быть противоположна последовательности тех же событий в другой системе отсчета. Таким образом, делался вывод, что причина и следствие могут поменяться местами, что приведет к нарушению причинно-следственных связей. Разрешение этого парадокса заключается в том, что причинно-связанные события в любой системе отсчета будут наблюдаться в одной последова­тельности. То есть, существует абсолютное прошлое и абсолютное бу­дущее. Парадокс возникает в результате экстраполяции явлений, связан­ных с независимыми событиями на все события, в том числе и причинно-связанные.

К более серьезным противоречиям приводит парадокс близнецов. Предположим, что на Земле живут два брата-близнеца. Один из них отправляется в космический полет с околосветной скоростью, второй остается на Земле. Из теории Эйнштейна следует, что для первого из них время будет течь медленнее, поскольку ракета движется, а Земля поко­ится. То есть, улетевший на ракете брат будет стареть медленнее. Но можно рассуждать иначе. Система отсчета, связанная с ракетой, имеет такое же право на рассмотрение, как и система отсчета, связанная с Землей. Поэтому, с точки зрения космонавта, брат, оставшийся на Земле, будет двигаться, а ракета - покоиться. Тогда брат, улетевший в путеше­ствие, будет стареть быстрее. Очевидно, что эти два положения взаимно исключают друг друга. Отсюда делался вывод, что замедление времени невозможно, и оба брата будут стареть одинаково.

Разгадка парадокса заключается в том, что для сравнения возраста близнецы должны вновь оказаться на Земле (или в любом другом месте пространства, но рядом), поэтому космонавт должен будет затормозить ракету, развернуться и вновь разогнаться. При этом его система отсчета перестанет быть инерциальной. Он будет переходить из одной ИСО в другую, и ход его часов будет изменяться таким образом, что он ока­жется моложе своего близнеца-брата, оставшегося на Земле. Парадокс возникает в результате применения СТО к неинерциальной системе отсчета, которая выходит за рамки границ применимости данной теории.