Специальная теория относительности

Созданная в первые годы XX в. теория относительности положила начало радикальному преобразованию ранее сложившихся физических представлений о пространстве и времени, легла в основу современной физики.

Специальная теория относительности (СТО) не является трудом одного человека, как это пишут в популярной литературе и большинстве учебников. Как и квантовая механика, она возникла в результате совместных усилий группы великих исследователей — X. А. Лоренца, А. Пуанкаре (1854—1912), А. Эйнштейна, Г. Минковского (1864—1909)[1].

Среди ученых почти повсеместно распространено убеждение в том, что, не будь Эйнштейна, теория, аналогичная специальной теории относительности, все равно была бы сформулирована. Над проблемами, которыми занимался Эйнштейн, много работали Лоренц, Пуанкаре и другие крупные физики. Правда, Эйнштейн подошел к этим проблемам решительнее своих современников, но продвигался он, в общем, по тому же пути, по которому шли и они.

Формирование теории относительности связано с исследованиями в области электродинамики, которые пришли в противоречие с основными положениями классической физики. Оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики (в частности, механическая формулировка принципа относительности) плохо согласуются друг с другом. Уравнения механики в известном тогда виде не менялись после преобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований к ним самим или к их решениям — меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания (например, измененную скорость света).

Помимо этого существовали острые противоречия между новым экспериментальным материалом и теми положениями классического естествознания, которые были связаны с представлением об эфире — всепроникающей идеальной светоносной среде, заполняющей все мировое пространство.

В электродинамике уравнения Максвелла интерпретировались как записанные относительно системы отсчета, связанной с эфиром. Они содержат коэффициент 1/с, где с — скорость света. Вставал естественный вопрос: скорость света по отношению к чему? Столь же естественным был и ответ: по отношению к эфиру. Из анализа явления аберрации звезд следовало, что эфир неподвижен, а раз так, то в любой системе отсчета, движущейся относительно эфира, скорость света должна была быть равной векторной сумме скоростей с и Vy где с — скорость света относительно эфира, а V — скорость движения системы отсчета относительно эфира. Неподвижный мировой эфир было естественно связать с абсолютным пространством, и тогда, найдя разность между скоростью света в эфире и скоростью света в данной системе отсчета, мы могли бы определить скорость движения этой системы относительно эфира, т.е. се абсолютную скорость в абсолютном пространстве.

Наиболее значимым для формирования идей относительности стал эксперимент А. Майкельсона (1852—1931), который, по словам английского ученого Дж. Бернала, стал величайшим из всех отрицательных опытов в истории науки. Целью эксперимента, проведенного Майкельсоном в 1881 г., было обнаружение движения Земли по отношению к эфиру. Он использовал интерферометр, в котором начальный луч света разделяется на два с помощью полупрозрачного зеркала, а затем эти два луча, преодолев разный путь, сводятся вместе и интерферируют. Изучая интерференционную картину, можно сделать вывод о разнице оптических путей между двумя лучами. Эксперимент дал отрицательный результат, смещение полос интерференционной картины не совпало с ожидаемым. Это означало, что скорость движения Земли относительно эфира не зафиксирована, а скорость света остается постоянной и не зависит от движения источника света.

В дальнейшем эксперименты Майкельсона неоднократно повторялись (А. Майкельсон и Э. Морли в 1887 г.),

Э. Морли и Д. К. Миллер в 1902—1904 гг., и т.д.). Для уменьшения потенциального эффекта увлечения эфира установка поднималась в горы, однако получался результат, несовпадающий, с ожидаемым. Майкельсон расценил дело своей жизни как свою личную трагедию. Он «до конца дней своих не верил в теорию относительности, а однажды даже сказал Эйнштейну, что сожалеет, что его собственная работа, возможно, способствовала появлению этого монстра»[2].

Заметим, что эксперименты по исследованию движения Земли относительно эфира были продолжены в 1921 — 1925 гг. в американской обсерватории Маунт Вилсон, расположенной на высоте 1800 м. Группой исследователей под руководством Д. К. Миллера были получены устойчивые положительные результаты, которые подтверждали наличие эфира1. Но все это произошло уже после того, как теория относительности Эйнштейна получила общее признание.

Для того чтобы объяснить отрицательный результат опыта Майксльсона, Лоренц в 1892 г. ввел достаточно искусственное предположение о том, что объекты (например, плечи интерферометра Майкельсона) при движении сквозь эфир сокращаются в направлении движения.

Одновременно с этим шел поиск преобразований, оставляющих уравнения Максвелла инвариантными, т.е. сохраняющими свою форму при переходе от одной системы отсчета к другой. В том же 1892 г. Лоренц ввел так называемое местное время tf = t- (v/c[3] [4])x и показал, что уравнения Максвелла остаются неизменными при движении системы отсчета сквозь эфир. В 1904 г. Лоренц вывел преобразования, на основе которых можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (ху у, 2, ?) к другой инерциальной системе координат.

Лоренц не придавал преобразованиям характера общих пространственно-временных закономерностей и связывал их лишь с электромагнитными свойствами вещества и эфира, сторонником которого он был до конца жизни. Сам Лоренц писал так: «Основная причина, но которой я не смог предложить теории относительности, заключается в том, что я придерживался представления, будто лишь переменная t может считаться истинным временем, а предложенное мной местное время ? должно рассматриваться только в качестве вспомогательной математической величины»[4].

Важную роль в формулировке физических идей, которые легли в основу специальной теории относительности, сыграл французский математик и физик А. Пуанкаре. В 1898 г. в статье «Измерение времени» Пуанкаре выдвинул гипотезу постоянства скорости света и обратил внимание на условный характер понятия одновременности двух событий. В книге «Наука и гипотеза», изданной в 1902 г., Пуанкаре высказал идею о том, что не существует абсолютного времени. Утверждение, что два промежутка времени равны, само по себе не имеет смысла и его можно применять только условно. В 1905 г. в статье «О динамике электрона» он сформулировал обобщенный принцип относительности, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Несмотря на то что фактически Пуанкаре сформулировал основные постулаты СТО, его работы были написаны в духе эфирной теории Лоренца. Он считал, что результаты, полученные им, согласуются во всех наиболее важных пунктах с теми, которые получил Лоренц.

В сентябре 1905 г. А. Эйнштейн в журнале «Annalen der Physik» публикует свою знаменитую статью «К электродинамике движущихся тел». Несмотря на электродинамическое название, работа Эйнштейна существенно отличалась по своему характеру от работ Пуанкаре и Лоренца. Она была проста в математическом плане и содержала пересмотр физических представлений о пространстве и времени. Именно эта работа фактически знаменовала собой создание специальной теории относительности.

В основу своей теории Эйнштейн положил два постулата:

  • • принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом;
  • • принцип постоянства скорости света, утверждающий, что во всех инерциальных системах скорость света с постоянна.

В качестве математического аппарата своей теории Эйнштейн использовал преобразования Лоренца, в которые пространство и время входят равноправным образом:

Как видно из преобразований, посредством которых осуществляется переход от одной системы координат к другой, пространственная координата в движущейся системе зависит и от пространственной, и от временной координат в неподвижной системе. Это же справедливо и в отношении временной координаты в движущейся системе — она зависит и от временной, и от пространственной координат в неподвижной системе. Таким образом, здесь утверждалась фундаментальная связь пространства и времени друг с другом.

Из преобразований Лоренца следуют важнейшие выводы об относительности длины и временного промежутка.

Наибольшую длину тело имеет в системе, где оно покоится. Этот эффект называется релятивистским сокращением длины.

Промежуток времени будет наименьшим в покоящейся системе, а в движущейся системе он возрастает. Это положение часто формулируется как тезис о замедлении течения времени в движущейся системе отсчета, а сам эффект называется релятивистским замедлением течения времени.

В отличие от Лоренца, который считал, что эти эффекты в силу наличия эфира осуществляются реально, Эйнштейн объяснял их в зависимости от системы отсчета. Длина не есть характеристика тела самого но себе, как считала классическая физика, она выражает отношение тела к системе отсчета и имеет смысл лишь в связи с той или иной системой отсчета. Временной промежуток не есть свойство событий самих по себе, а опять-таки выражает их отношение к системе отсчета и только в ней имеет смысл. Причем эта зависимость становится сколько-нибудь заметной лишь при скоростях, близких к скорости света.

Как отмечает Л. Б. Баженов в своем анализе специальной теории относительности[6], длина и временной промежуток в ней становятся относительными, зато появля- ется абсолютная скорость — скорость света и совершенно новая величина, неизвестная классической физике и носящая абсолютный характер, — пространственно-временной интервал. Этот интервал не зависит от системы отсчета и остается инвариантным при переходе от одной инерциальной системы к другой.

Инвариантность интервала необходимо приводит к совершенно новым воззрениям на пространство и время. Они утрачивают свой независимый друг от друга абсолютный характер. Как и в механике Ньютона, в СТО считается, что пространство однородно и изотропно, а время однородно. Но если в механике Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя пространственно-временной континуум или единое четырехмерное пространство-время.

Из приведенных соотношений видно, что эффекты СТО могут быть заметны только при скоростях, близких к скорости света, если же скорости намного меньше скорости света, то так называемые релятивистские эффекты становятся малы, ими можно пренебречь и тогда теория Эйнштейна переходит в классическую механику Ньютона.

Часть ученых сразу приняли специальную теорию относительности: М. Планк и сам Эйнштейн построили релятивистскую динамику и термодинамику. Г. Минковский в 1907 г. представил математическую модель кинематики специальной теории относительности, в которой преобразования Лоренца вытекают из геометрии четырехмерного псевдоевклидова пространства. Г. Минковский в связи с математической обработкой им теории относительности Эйнштейна писал: «Отныне время по себе и пространство по себе должны сделаться всецело тенями, и только особого рода их сочетание сохранит самостоятельность»[7].

Были, однако, и критики новой теории. Они указывали на то, что теория относительности не предсказывает новых фактов, которые можно проверить экспериментально, и ничем не лучше теории Лоренца. Появились попытки найти в теории внутренние противоречия. Концепцию эфира продолжали поддерживать такие ученые, как Дж. Томсон — английский физик, открывший электрон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г., Ф. Ленард (1862—1947) — немецкий физик, лауреат Нобелевской премии но физике 1905 г., другие известные физики. Сам Лоренц прекратил критику специальной теории относительности только к концу жизни.

Критический анализ специальной теории относительности продолжился и в дальнейшем. В. А. Ацюковский обратил внимание на то, что первым, самым главным постулатом теории Эйнштейна является положение об отсутствии в природе эфира, но авторами экспериментов, включая Морли, Миллера и самого Майкельсона по обнаружению движения Земли относительно эфира в конце 1920-х гг. были получены устойчивые положительные результаты[8]. Он отмечает, что все экспериментальные подтверждения теории относительности могут иметь самую разнообразную трактовку.

СТО, отвергающая существование в природе эфира, использует в качестве основного аппарата преобразования Лоренца, выведенные им в 1904 г. для случаев движения зарядов в эфире, т.е. за год до создания Эйнштейном теории относительности. Поэтому совпадение экспериментов с расчетами по специальной теории относительности может означать и подтверждение теории Лоренца, противоречащих теории относительности. Но могут быть и другие трактовки тех же результатов.

  • [1] Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Современныетеории. 1900—1926 гг. М. : Изд-во Института компьютерных исследований, 2004 ; Тяпкин А. А. Об истории возникновения теории относительности. Дубна: ОИЯИ, 2004 ; Логунов А. А. К работам Анри Пуанкаре«О динамике электрона». М.: Изд-во МГУ, 1988.
  • [2] Холтон Дж. Тематический анализ науки. М.: Прогресс, 1981. С. 88.
  • [3] Эфирный ветер: сб. статей / под ред. В. А. Ацюковского. 2-е изд. М.:Энергоатомизлат, 2011.
  • [4] Пайс Л. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М. :Наука, 1989. С. 161.
  • [5] Пайс Л. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. М. :Наука, 1989. С. 161.
  • [6] Баженов Л. Б. Проблемы пространства-времени // История и философия науки / под ред. В. В. Миронова. М.: Гардарики, 2006. С. 107—108.
  • [7] Минковский Г. Пространство и время // Принцип относительности.Сб. статей. М.: Атом из дат, 1973.
  • [8] Эфирный ветер: сб. статей / под ред. В. А. Ацюковского. 2-е изд. М.:Энергоатомиздат, 2011.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >