5. Масса. Взаимосвязь массы и энергии.

Один из важнейших выводов СТО – эквивалентность массы и энергии, которая нашла свое выражение в знаменитой формуле Е = mс².

В системе отсчета, связанной с объектом, его энергия минимальна и называется энергией покоя, во всех других системах она больше. Например, при скорости 0.1с энергия тела превышает энергию покоя всего на 0.5%, а при скорости 0.9с – уже вдвое (на 100%). Таким образом, чтобы тело достигло скорости с, потребовалось бы затратить бесконечно большое количество энергии. Со скоростью с могут распространяться лишь волны, не имеющие массы и энергии покоя, т.е. никогда не бывающие в состоянии покоя.

Кинетическая энергия (энергия движения) в СТО представляет собой разницу между полной энергией и энергией покоя.

6. Представление об общей теории относительности.

В 1915 г. Эйнштейн опубликовал построенную им теорию гравитации. По теории Эйнштейна, гравитация не является силой, действующей на пассивном фоне пространства-времени, а представляет собой искажение самого пространства-времени вблизи больших масс. Гравитационное поле – это «кривизна» пространства-времени. В таком искривленном 4-мерном пространстве-времени тела движутся по кратчайшему пути, который называется геодезической. Проекция геодезической на наше обыкновенное 3-мерное пространство представляется кривой линией, например, эллипсом (орбиты планет). Световой луч также распространяется по геодезической и потому, проходя близко к телам большой массы, должен искривляться.

Все эти эффекты были продемонстрированы в экспериментах. Так, объяснены известные ранее отклонения орбит планет от рассчитанных по Ньютоновской теории; доказано, что свет от далеких звезд, доходя до Земли, отклоняется Солнцем, и мы видим не истинное положение звезды, а ее мнимое изображение.

Еще один предсказанный эффект – замедление часов в гравитационном поле. Вблизи массивного тела (например, Земли) световая волна теряет энергию, значит, уменьшается ее частота. А это воспринимается наблюдателем как более медленный ход тех часов, которые расположены ближе к Земле. Релятивистское замедление часов особенно важно учитывать в системах, использующих сигнал со спутников. Ошибка навигации в случае неучета этого эффекта может составить несколько километров.

Движение с ускорением эквивалентно движению в гравитационном поле (вспомним, что инертная масса считается эквивалентной гравитационной массе). Поэтому теория гравитации Эйнштейна явилась обобщением СТО на системы отсчета, движущиеся с ускорением (неинерциальные системы отсчета) и называется общей теорией относительности (ОТО).

7. Интервал и принцип причинности.

При движении с большими скоростями все величины относительны, все зависят от того, в какой системе отсчета находится наблюдатель. Однако и здесь есть неизменная, инвариантная величина, одинаковая для всех систем. Эта величина называется интервал и представляет собой, в сущности, квадрат расстояния между событиями в 4-мерном пространстве-времени:

.

Поверхность S² = 0 называется световым конусом. При S² > 0 интервал называется времениподобным. В той области пространственно-временного континуума, где S² > 0, сигнал передается со скоростью меньшей чем с, поэтому здесь возможна причинно-следственная связь между событиями и можно выделить абсолютное прошлое и абсолютное будущее. Там же, где S² < 0, интервал называется пространственно-подобным, для передачи сигнала потребовалась бы скорость больше с, что противоречит постулату Эйнштейна. Поэтому в этой области причинно-следственная связь отсутствует. Подбирая систему отсчета, можно добиться, чтобы два различных события произошли, например, одновременно, или же поменять их последовательность.

Подводя итоги знакомства с идеями теории относительности, можно отметить, что она действительно явилась революцией в привычных представлениях о пространстве и времени, породила новый взгляд на причинность и дала толчок современной науке о строении и эволюции нашей Вселенной.