Специальная теория относительности

Около десяти лет работал Эйнштейн над проблемой влияния скорости движения тел на электромагнитные явления. В результате он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галилея. Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями Галилея скрывается принципиально иное представление о пространстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип относительности является квинтэссенцией классической механики и поэтому должен быть сохранен. От концепции абсолютного пространства и времени, как не имеющих реального физического содержания, следовало отказаться.

Так был сформулирован первый постулат специальной теории относительности – расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейн позаимствовал из электродинамики – это принцип постоянства скорости света в вакууме, примерно равной 300 000 км/с.

Классический принцип относительности Галилея очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Поэтому путешественник в закрытой каюте спокойно плывущего корабля не замечает никаких признаков движения. Если на том же корабле подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Для нашего путешественника книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем.

В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы бессмысленной тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение, что движение или покой – всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Эйнштейн развил классический принцип относительности и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим, действуя не только в механике, но и в электродинамике. Таким образом, электромагнитные явления стали описываться как инерциальные системы, инвариантные относительно постановки в них любых физических экспериментов. Иными словами, обобщенный принцип относительности утверждал, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится.

Второй постулат специальной теории относительности говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Дело в том, что скорость света – самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Первым в этом усомнился Галилей и попытался ее измерить, но точность тогдашних измерительных приборов не позволила этого сделать. Задачу измерения скорости света ставил перед собой датчанин О. Рёмер, который исследовал движение спутника Юпитера и определил скорость равной 214 000 км/с. Эта величина была уточнена уже в XIX в. и составила 299 792 458 м/с. Обычно ее обозначают как с и считают примерно равной 300 000 км/с.

Это огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Например, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с, скорость Земли в ее орбитальном вращении вокруг Солнца – 30 км/с, скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики – около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики с большой группой других галактик относительно других таких же групп – еще в два раза больше. Вместе с Землей, Солнцем и Галактикой мы летим в космическом пространстве, сами того не замечая, с огромной скоростью, измеряемой несколькими сотнями километров в секунду. Это огромная скорость, но все же и она очень мала по сравнению со скоростью света.

Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения (как в приведенном выше примере). Скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему 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. Поэтому часто говорят, что скорость света – предельная скорость передачи информации. Она же является предельной скоростью любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире. Если бы это было не так, нарушился бы фундаментальный закон причинности, утверждающий, что причина всегда предшествует следствию. Тогда разрушилась бы логическая связь событий во Вселенной, в мире воцарился абсолютный хаос и случайность.

Разумеется, все сказанное нами о скорости света, противоречит тому, что мы видим в окружающем нас мире. Более того, одновременное действие этих двух постулатов кажется невозможным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается к анализу проблемы одновременности, которая и составляет суть теории относительности.

Классическая физика решала эту проблему очень просто в рамках концепции абсолютного времени, в соответствии с которой любые события во всех точках Вселенной совершались в рамках одной системы отсчета (абсолютного времени). Поэтому одновременность событий считалась реально существующим фактом. Эйнштейн первым попытался серьезно проанализировать проблему одновременности, использовав для этого мысленный эксперимент.

Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, где находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Из нового понимания одновременности вытекают важнейшие выводы специальной теории относительности, которые известны под названием релятивистских эффектов. Именно они стали новой интерпретацией преобразований Лоренца, потребовали кардинального изменения представлений о пространстве и времени, выработанных еще классической физикой. Относительными становятся не только скорости, траектории тел, как в классической механике, но и пространственно-временные характеристики тел, традиционно считавшиеся неизменными, – линейные размеры, масса и время протекания процессов. Оказывается, эти свойства зависят от скорости движения тел. Правда, эти изменения становятся заметными, если измерять их из другой системы, движущейся относительно первой системы с иной скоростью. При этом скорость движения наблюдаемой системы должна быть очень большой, сравнимой со скоростью света.

Таким образом, релятивистские эффекты– это изменения пространственно-временных характеристик тел, заметные на больших скоростях, сравнимых со скоростью света.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т.е., двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах протекают одинаково, Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить. Поэтому в качестве примера обычно берут воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты, летящий к далеким звездам. Неподвижный наблюдатель при этом сможет зафиксировать три релятивистских эффекта:

1. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем ближе скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для наблюдателя. Если бы корабль смог двигаться со скоростью света, его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю, чего не может быть.

2. Увеличение массы быстродвижущихся тел. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело смогло двигаться со скоростью света, его масса возросла бы до бесконечнбсти, что невозможно. Поэтому никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так как это потребовало бы бесконечной энергии. В связи с этим появилась самая известная формула теории относительности, связывающая массу и энергию. Эйнштейну удалось доказать, что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е = тс².

3. Замедление времени в быстродвижущихся телах. Так, в быстро летящем космическом корабле время течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Эффект замедления времени на космическом корабле сказался бы не только на часах, но на всех процессах, протекающих в этом корабле, в том числе и на биологических ритмах его экипажа. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию был предложен так называемый парадокс близнецов. Если бы из двух близнецов один остался на Земле, а другой улетел к звездам, то космонавт с точки зрения земного наблюдателя старился бы медленнее, чем его брат-близнец. Поэтому после возвращения домой космонавт обнаружил, что его брат значительно старше его самого. Интересно, что чем дальше совершается полет и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем больше будет разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из процесса развития на Земле.

Казалось бы, можно рассматривать ракету как покоящуюся систему отсчета, а Землю - как движущуюся, и тогда утверждать, что больше постареет космонавт. Но на самом деле ракету нельзя рассматривать как инерциальную систему, так как она во время разгона и торможения движется с ускорением.

Современный уровень развития науки и техники пока не позволяет построить фотонные ракеты, с помощью которых можно было бы проверить выводы специальной теории относительности. Тем не менее, экспериментальные доказательства основных положений специальной теории относительности все же существуют. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега пи-мезонов (пионов), возникающих при столкновении космических лучей с атмосферой Земли. Обычно время жизни этих частиц составляет 10^-8 с и после своего возникновения они распадаются на небольшом расстоянии от места рождения (по расчетам, они могут пройти около 300 см). Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем с нашей точки зрения замедляются, период распада увеличивается. Соответственно возрастает длина пробега, которая -может составить около 30 км, что в 10 000 раз больше расчетного.

Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

Следует подчеркнуть, что релятивистские эффекты будут проявляться только при движении тел со скоростью, сравнимой со скоростью света. На малых скоростях уравнения специальной теории относительности будут давать практически те же результаты, что и формулы классической механики, как этого требует принцип соответствия.

Создание специальной теории относительности стало качественно новым шагом в развитии науки, одной из первых теорий, созданных современной наукой. В отличие от классической науки (классической механики) специальная теория относительности органично включает в себя наблюдателя, который только и может заметить релятивистские эффекты. Описание физических процессов в этой теории также не является универсальным, а зависит от выбора системы координат. Да и описывается в ней не сам физический процесс, а результат взаимодействия этого процесса со средствами исследования. Отсюда становилось все яснее, что ученый перестает быть зеркалом, пассивно отражающим окружающий мир, как это считала классическая наука, а сам непосредственно формирует объект своего познания. Таким образом, идея неразрывной связи субъекта и объекта познания является одним из краеугольных камней современной науки.