Теория относительности Эйнштейна за 1 час

Уравнения Лоренца были лаконичны, удобны для расчетов, но у них обнаружились своеобразные «побочные эффекты»: из преобразований получалось, что любому конкретному моменту в неподвижной системе отсчета соответствовало бесконечное количество моментов в системе движущейся. То есть события теряли свойство одновременности. Кроме того, получалось, что тела при движении должны сжиматься в направлении движения. А время в движущихся системах отсчета замедлялось. Чтобы объяснить все эти, как тогда казалось, недоразумения, ученые обратились к изучению эфира.

В то время общепринятым было мнение, что любые волны должны распространяться в какой-то среде (к примеру, как звуковая волна распространяется по воздуху). В соответствии с уравнениями Максвелла свет является волной, ученые считали, что среда, в которой он распространяется, – это эфир. Было поставлено множество опытов, которые должны были подтвердить существование эфира, но все тщетно. Эфир казался неуловимым.

Именно в этот момент на научной сцене появился Эйнштейн.

Теории Эйнштейна возникли не на пустом месте, они были подготовлены открытиями череды ученых, начиная с Галилея и Ньютона и заканчивая Лоренцем и Пуанкаре.

«Если смотреть на развитие теории относительности ретроспективно, – говорил Эйнштейн, – то в 1905 году она готова была к тому, чтобы ее открыли». Он был уверен, что уравнения Максвелла идеальны, то, что они разрушаются при смене системы отсчета, казалось ему ошибкой. Для того чтобы ее обнаружить и устранить, он сосредоточился на главном, как он считал, факторе электромагнитных явлений – относительном движении. Свою статью «К электродинамике движущихся тел» Эйнштейн начал такими словами: «Известно, что электродинамика Максвелла в современном ее виде приводит в применении к движущимся телам к асимметрии, которая несвойственна, по-видимому, самим явлениям. Вспомним, например, электродинамическое взаимодействие между магнитом и проводником с током. Наблюдаемое явление зависит здесь только от относительного движения проводника и магнита, в то время как, согласно обычному представлению, два случая, в которых движется либо одно, либо другое из этих тел, должны быть строго разграничены».

Все заключения, высказанные в революционной статье Эйнштейна, основывались на двух постулатах: законы физики принимают один и тот же вид во всех системах отсчета, где движение является равномерным; скорость света в вакууме одна и та же для любой инерциальной системы отсчета. В первом постулате не было ничего нового, он использовался и в механике Ньютона, правда, Ньютон применял его к механическим явлениям, а Эйнштейн распространил абсолютно на все физические явления.

Но второй постулат был совершенно революционным. Макс Планк писал по этому поводу: «Теория относительности приписывает абсолютный смысл такой величине, которая в классической физике обладает лишь относительным характером, – скорости света». Преобразования Лоренца являлись прямым следствием этого постулата. Второй постулат Эйнштейна противоречил принципам классической механики, созданной Ньютоном: там использовался закон сложения скоростей. Но скорость света постоянна всегда, независимо от скорости источника, который излучает свет. Законы Ньютона на нее не распространяются.

Эйнштейн вывел постоянство скорости света путем математических расчетов, из формул Максвелла. Сочетание этой константы с принципом относительности давало совершенно новое представление о многих понятиях и законах физики.

Одним из важнейших и интереснейших выводов, следующих из постоянства скорости света, стало изменение понятия одновременности.

Если две инерциальные системы отсчета движутся относительно друг друга, то два события, происходящие одновременно в одной из систем отсчета, могут не быть одновременными в другой. Для того чтобы проиллюстрировать это положение, вернемся к примеру с кораблем и наблюдателем на причале, к которому прибегал Галилей.