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.
В 1904 г. нидерландский физик Лоренц предложил преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, носящие его имя и являющиеся основой специальной (частной) теории относительности. Если скорость объекта существенно меньше скорости света, то преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея. Но если скорость объекта сопоставима со скоростью света, то:
· события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой; причем физические процессы в теле, движущемся со скоростью v относительно некоторой инерциальной системы, протекают медленнее, чем в данной инерциальной системе; также происходит сокращение продольных - в направлении движения - размеров тел (во столько же раз) и др.;
· при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v, длины сокращаются (в направлении движения) и во столько же раз "растягиваются" промежутки времени. Относительность одновременности - основная, принципиально новая черта современной частной теории относительности.
Позднее Эйнштейн показал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными оказывались и "длина", и "промежуток времени" между событиями, и даже "одновременность" событий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время.
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. Он исследовал движение спутника Юпитера и определил скорость света равной 214000 км/с. Эта величина была уточнена уже в XIX веке и составила 299792458 м/с. Обычно ее принимают примерно равной 300000 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 или отсчета. 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 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 какой-то скоростью. При этом скорость движения наблюдаемой системы должна быть 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. В качестве примера обычно берут воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты, летящей 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. Изменяются также длина волны излучения или звука (эффект Допплера).
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 бесконечности, 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 = mс2. Таким образом, было сделано утверждение об эквивалентности массы и энергии.
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, 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 обнаружит, 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 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 10000 раз больше расчетного.
Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этого 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 еще раз 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.
Следует ли заниматься релятивистской механикой, если большинство встречающихся в повседневной жизни скоростей значительно меньше скорости света? Для положительного ответа существует несколько причин:
1. Одной из главных задач физики является изучение свойств света, для которого v = с.
2. Теория света выводится из теории электромагнетизма. Такие важные понятия, как магнитное поле и электромагнитная индукции существенно связаны со скоростью света. Правильно было бы сказать, что электромагнетизм - это релятивистская теория. Поэтому прежде чем глубоко понять явление электромагнетизма, следует разобраться в теории относительности.
3. В ядерной физике и физике элементарных частиц мы встречаемся с частицами, которые движутся со скоростями, близкими или равными скорости света. Например, фотоны имеют скорость v = с.
4. В современной астрономии приходится непрерывно сталкиваться с релятивизмом. Удаленные галактики движутся со скоростями, близкими к скорости света.