Теория относительности Эйнштейна

Кризис теории эфира. Постоянство скорости света

Кризис ньютоновской концепции пространства-времени

К числу противоречий, характерных для естествознания конца XIX века, можно отнести факт несимметрии уравнений Максвелла для электромагнитного поля по отношению к различным системам отсчета. Система уравнений, в справедливости которой никто не сомневался, давала разные решения для случаев, например, когда источник света двигается навстречу наблюдателю, и когда наблюдатель двигается навстречу источнику света, что противоречило принципу относительности Галилея, в справедливости которого также никто не сомневался. Для симметрии уравнений Максвелла было необходимо, чтобы в любой инерциальной системе отсчета скорость света имела одну и ту же величину, что противоречит правилу сложения скоростей Галилея.

Для выхода из создавшегося положения Лоренц чисто математически вывел такие преобразования координат, которые соответствовали бы симметрии уравнений Максвелла. Однако они существенно отличались от преобразований Галилея. Из них, в частности, следовало, что все тела в процессе движения деформируются (укорачиваются) вдоль линии движения. Это придавало симметрию системе уравнений Максвелла, но оставался вопрос о природе подобного укорочения. Попытки объяснить данный феномен с помощью «эфирного ветра» потребовали экспериментальных подтверждений самого факта наличия эфира в пространстве Вселенной. Наличие эфира могло бы как-то обосновать постоянство скорости света, так как распространение волн в любой среде происходит с постоянной скоростью.

В 1881 г. Майкельсон провел опыт с использованием изобретенного им интерферометра, который доказал отсутствие эфирного ветра и эфира вообще. Абсолютное ньютоновское пространство оказалось пустым. В физике назрел кризис непонимания.

Выход из положения нашел Эйнштейн, который в качестве основного постулата своей теории признавал принцип относительности Галилея, из которого, в частности, следует, что во всех инерциальных системах отсчета законы природы должны описываться одинаковыми по форме законами. То есть система уравнений Максвелла должна быть симметричной относительно перехода из одной системы отсчета в другую. Это возможно только в том случае, если скорость света в разных системах отсчета равна одной и той же величине, независимо оттого, что сами эти системы могут двигаться относительно друг друга с разными скоростями.

Это крайне парадоксально с точки зрения житейского опыта, так перестает работать совершенно понятное нам правило сложения скоростей Галилея. Так если ракета движется относительно наблюдателя со скоростью, приблизительно равной скорости света V₀ С (рис.2), а относительно ее движется другая ракета со скоростью также приблизительно равной скорости света V C, то относительно неподвижного наблюдателя вторая ракета будет двигаться вовсе не с двойной скоростью света V’ = V₀ + V 2С, как это следует из правила сложения скоростей Галилея, а со скоростью приблизительно равной скорости света. Тем не менее, это полностью соответствовало преобразованиям Лоренца. Поэтому факт постоянства скорости света во всех инерциальных системах отсчета Эйнштейн принял в качестве второго постулата своей теории, которая была названа специальной теорией относительности.

Из данной теории, в частности, следовало, что пространство и время вовсе не являются чем-то абсолютным и независящим от присутствия в нем материальных тел. При движении тела относительно наблюдателя оно вовсе не деформируется, как предполагал Лоренц, деформируется само пространство. При этом наблюдателю кажется, что размеры тела (и всех пространственных размеров) в направлении движения сокращаются, то есть , где L - длина движущегося тела, L₀ - длина покоящегося тела, v - скорость движения тела, c - скорость света. Время в движущейся системе отсчета также «укорачивается» (замедляется): .

Парадокс в том, что сам объект никаких деформаций и замедления времени не ощущает. Более того, в силу принципа относительности, в системе отсчета, связанной с этим телом, кажется, что тело покоится, а наблюдатель движется относительно него со скоростью v. Это значит, что именно наблюдатель укорачивается в направлении своего движения, и у него замедляется время, хотя сам наблюдатель так вовсе не думает.

Эти рассуждения приводят к возникновению так называемого парадокса близнецов. Допустим, два близнеца родились практически одновременно, затем один из них отправился в космическое путешествие, развив при этом относительно первого близнеца скорость v, а затем оба встретились вновь. Кто из них окажется моложе, у кого время текло медленней?

Решение данной проблемы привело Эйнштейна к созданию так называемой общей теории относительности, явившейся попыткой построить стройную картину мира, опирающуюся на постулат постоянства скорости света. Здесь Эйнштейн ввел еще один постулат об эквивалентности гравитационной и инерционной масс.

Вообще говоря, масса – это коэффициент пропорциональности в формулах P = m_гg и F = m_иa. Несмотря на похожесть, формулы абсолютно разные. В первом случае масса есть мера гравитационного притяжения тел друг другу, во втором случае масса есть мера инертности, сопротивляемости тела попыткам изменить его положение по отношению к другим телам. Эйнштейн предположил, что m_г = m_и. Это значит, что искусственная гравитация, создаваемая, например, при ускорении тела, ничем не отличается от естественной гравитации, создаваемой, например, планетой.

С ростом скорости тела растет его масса и замедляется время. Масса и время оказываются связанными и в покоящейся системе: вблизи массивных тел, где сильна гравитация, время замедляется. Если тело ускоряется, то есть создается искусственная гравитация, то время также замедляется. Отсюда вывод: моложе окажется тот из близнецов, который ускорялся и замедлялся, то есть который улетал, а затем вернулся.

Из общей теории относительности следует множество интересных выводов. В частности было получено уравнение полной энергии любого тела (потенциальная + кинетическая): E = mc². Приращение кинетической энергии в процессе разгона тела эквивалентно увеличению массы тела. Если два тела взаимодействуют друг с другом так, что их потенциальная энергия равна U, то масса всей системы M будет равна M = m₁+m₂+U/c². То есть впервые было установлено, что понятия массы и энергии тесно связаны друг с другом.

Не менее интересны результаты распространения теории относительности на электромагнетизм. В частности выяснилось, что от понятия магнетизма можно, по сути дела, просто избавиться, сведя его к релятивистским (релятивизм – относительность) эффектам, возникающим при движении заряженных частиц.

До сих пор многие ученые не оставляют попыток опровергнуть теорию относительности. Особенно «неприятен» для нас запрет на полеты со скоростью, превышающей скорость света (при v = с масса увеличивается до бесконечности, время останавливается, пространство в направлении движения вырождается в ноль). Однако данная теория имеет массу экспериментальных подтверждений: дефект масс (продукты расщепления ядра атома весят больше исходного ядра), отклонение луча света гравитацией, увеличение времени жизни частиц, двигающихся с большими скоростями и т.п. При малых скоростях все формулы переходят к привычному для нас виду.

Дата добавления: 2014-01-07