Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности

В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Annalen der Physik» появи­лась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которая объясняла и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смысл пре­образований Лоренца и, кроме того, содержала новый взгляд на про­странство и время.

Эйнштейн нашел еще один путь преодоления противоречий в принципиальных основах классической механики. Он пришел к убеждению, что необходимо сохранить два первых утверждения ( принцип постоянства скорости света и принцип относительности), но отказаться от преобразований Галилея. И дело не просто в том, чтобы чисто формально заменить их другим преобразованием. Эйнштейн увидел, что за преобразованиями Галилея кроется опре­деленное представление о пространственно-временных соотноше­ниях, которое не соответствует физическому опыту, реальным свой­ствам пространства и времени. Слабым звеном принципиальных оснований классической механики оказалось представление об аб­солютной одновременности событий. Классическая механика поль­зовалась им, не сознавая его сложной природы.

До выхода в свет статьи «К электродинамике движущихся тел», в которой впервые были изложены основы теории относительности, Эйнштейн около 10 лет размышлял над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления. Он пришел к твердому убеж­дению о всеобщности принципа относительности, т.е. к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны. Кроме того, Эйнштейн был убежден в инвариантности скорости (света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он пишет, что еще в 1896 г. у него « возник вопрос: если бы можно было погнаться за световой волной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее от времени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным!» * Таким образом, Эйнштейн, по-видимому, еще в молодости пришел к принципу, согласно которому скорость распространения световой волны одинакова во всех инерциальных системах.

* Эйнштейн А. Собрание научных трудов. М., 1967. Т. IV. С. 350—351.

Одновременное действие этих двух принципов кажется невоз­можным. Налицо теоретический парадокс. Из данного парадокса Эйнштейн находит выход, анализируя понятие одновременности. Анализ подводит его к выводу об относительном характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключа­ется суть всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий простран­ства и времени — основополагающих понятий всего естествознания.

В классической физике полагали, что можно запросто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках про­странства. Эйнштейн убедительно показал неверность такого представления. Он начинает с анализа вопроса, каким образом можно установить одновременность двух событий, происходящих в разных точках пространства. Для этого, делает он вывод, нужно иметь в этих точках часы, причем эти часы должны быть одинаково уст­роены и идти синхронно. Но как узнать, что двое часов, помещен­ных в различных местах пространства, идут синхронно; или, что то же самое, как узнать, что два события в различных точках про­странства, скажем на Земле и на Луне, происходят одновременно? Для достижения синхронности, можно воспользоваться световыми сигналами.

Допустим, что в удаленных друг от друга точках пространства А и В имеются одинаковые часы, и часы в точке А показывают время t_А, когда из этой точки выходит световой луч в направлении точки В. Допустим, что этот луч достигает точки В, когда часы в ней показы­вают время t_в, и затем движется обратно к точке А, куда приходит в момент времени t'A по часам, помещенным в этой точке. Будем счи­тать, что часы в точках А и В идут синхронно, если всегда выполняет­ся соотношение:

t_B – t_A = t`<sub>A</sub> – t`

События в точках А и В будут одновременными, если часы в этих точках показывают для них одно и то же время. Такое определение одновременности кажется вполне логичным, если принять условие, что свет распространяется с одинаковой скоростью во всех направ­лениях. Но оказывается, что если ввести такое определение одновре­менности, то вследствие конечности скорости распространения света это понятие становится относительным, поскольку события в одной «покоящейся» системе не будут одновременными в любой дру­гой системе, движущейся относительно первой.

К этому выводу приводит простой логический анализ. Допустим, что в точках А и В, расположенных друг от друга на расстоянии S, находятся неподвижные синхронизированные часы (по правилу, приведенному выше). Пусть наблюдатель, двигающийся относитель­но часов с постоянной скоростью v в направлении АВ захочет прове­рить синхронность хода часов. Он должен считать время движения сигнала от А до В равным:

а промежуток времени движения сигнала в обратном направлении

Но принцип постоянства скорости света предполагает, что ско­рость света относительно движущегося наблюдателя неизменна и равна с. Значит, не существует способов установления синхронности часов; часы, синхронные для покоящегося наблюдателя, перестают быть синхронными, когда он движется по отношению к системе, в которой покоятся часы. Следовательно, понятие одновременности относительное. События, которые являются одновременными для одного наблюдателя, не одновременны для другого наблюдателя, дви­жущегося относительно первого.

Из нового понимания одновременности, осознания его относи­тельности следуют совершенно революционные выводы о законо­мерностях пространственно-временных отношений вещей. Прежде всего необходимость признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масшта­бе одновременно. Однако то, что одновременно для неподвижного наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтому и длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна.

На следующем этапе становления специальной теории относи­тельности этим общим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразо­вания координат и времени — преобразования Лоренца. Но у Эйнш­тейна эти преобразования имеют иной смысл: одно и то же тело имеет различную длину, если оно движется с различной скоростью относительно системы, в которой эта длина измерялась. То же самое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длится какой-либо процесс, различен, если измерять его движущими­ся с различной скоростью часами. В специальной теории относитель­ности размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный харак­тер, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих от выбора системы отсче­та, с помощью которой проводилось их измерение. Они приобрета­ют такой же смысл, какой имеют уже известные относительные вели­чины, например, скорость, траектория и т.п. Таким образом, Эйнш­тейн делает вывод о необходимости изменения пространственно-временных представлений, выработанных классической физикой.

Кроме формул преобразований координат и времени, Эйнштейн получает также релятивистскую формулу сложения скоростей, пока­зывает, что масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотно­шении Е = mс².

Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физи­ческого познания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическое описание релятивистских явлений органически входит наблюдатель со средствами наблюдения. Описание физичес­ких процессов в СТО существенно связано с выбором системы коор­динат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средства­ми исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн в уже упомя­нутой статье «К электродинамике движущихся тел» пишет: «Сужде­ния всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процес­сами» *. В СТО через осознание того, что нельзя дать описание физи­ческого процесса самого по себе, можно только дать его описание по отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характер про­цесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимо­действие субъекта и объекта познания.

* Эйнштейн А. Собрание научных трудов. М., 1965. Т. 1. С. 8.