|
100 великих научных открытий
Дмитрий Самин
Основы мироздания
Специальная теория относительности
В 1905
году в немецком научном журнале «Аннален дер физик» появилась небольшая
статья объемом 30 печатных страниц двадцатишестилетнего Альберта Эйнштейна «К
электродинамике движущихся тел», в которой почти полностью была изложена
специальная теория относительности, сделавшая вскоре молодого эксперта
патентного бюро знаменитым. В этом же году в том же журнале появилась статья
«Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», дополняющая первую.
Специальная
теория относительности появилась не на пустом месте, она выросла из решения
электродинамической проблемы движущихся тел, над которой начиная с середины
XIX века работали многие физики. Они стремились обнаружить существование
эфира-среды, в которой распространялись электромагнитные волны. Предполагалось,
что эфир проникает через все тела, но в их движении участия не принимает.
Строились различные модели светоносного эфира, выдвигались гипотезы
относительно его свойств. Казалось, что неподвижный эфир мог служить той абсолютно
покоящейся системой отсчета, относительно которой еще Ньютон рассматривал
«истинные» движения тел. Согласно воззрению Ньютона, существуют во Вселенной
«нормальные часы», которые отсчитывают ход «абсолютного времени» с любой
точки. Кроме того, существует «абсолютное движение», т.е. «перемещение тела
из одного абсолютного места в другое абсолютное место». В течение двухсот лет
принципы Ньютона считались верными и незыблемыми. Ни один физик не подвергал
их сомнению.
Первым,
кто начал открыто критиковать принципы Ньютона, был Эрнст Мах. Он начал свою
научную карьеру на кафедре экспериментальной физики, имел в Австрии свою
лабораторию. Мах проводил эксперименты со звуковыми волнами, изучал явление
инерции. Мах пытался опровергнуть понятия «абсолютное пространство»,
«абсолютное движение», «абсолютное время». Эйнштейн был знаком с работами
Маха, и это знакомство сыграло не последнюю роль в его работе над теорией
относительности.
В
экспериментальной физике ньютоновские догмы также были поставлены под
сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца. В свою очередь,
Солнечная система летит в мировом пространстве. Следовательно, если световой
эфир покоится в «абсолютном
пространстве»,
а небесные тела проходят через него, то их движение по отношению к эфиру
должно вызывать заметный «эфирный ветер», который можно было бы обнаружить с
помощью чувствительных оптических приборов.
Опыт по
обнаружению «эфирного ветра» был поставлен в 1881 году американцем Альбертом
Майкельсоном по идее, высказанной за 12 лет до этого Максвеллом. Майкельсон
рассуждал следующим образом: если земной шар движется сквозь абсолютно
неподвижный эфир, тогда луч света, пущенный с поверхности Земли, при
определенных условиях будет отнесен назад «эфирным ветром», который дует
навстречу движению Земли. «Эфирный ветер» должен возникать только благодаря
перемещению Земли относительно эфира.
Первая
экспериментальная установка была построена и испытана Майкельсоном в Берлине,
все приборы были смонтированы на каменной плите и могли поворачиваться как
одно целое. Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии
близкого друга и сотрудника Майкельсона Эдуарда Морлея. Учеными был создан
зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый
«эфирный ветер». Результаты всех опытов, проведенных и в 1881 и в 1887 годах,
отрицали существование какого бы ни было «эфирного ветра». Опыт Майкельсона и
на сегодняшний день можно считать одним из самых знаменитых и выдающихся в
истории физики. По словам самого Эйнштейна, он имел огромное значение для
рождения теории относительности.
Но не
все физики были согласны с тем, что эфир не существует и что принципы Ньютона
должны быть не только поставлены под сомнение, но и отброшены навсегда.
Голландский физик Хендрик Лоренц в 1895 году попытался «спасти» эфир. Он
высказал предположение о том, что быстро движущиеся тела испытывают
сокращение. Еще до Лоренца в 1891 году ирландский физик Джордж Фицджеральд
сделал подобное предположение, о котором Лоренц не знал. Лоренц и Фицджеральд
писали о том, что все предметы «под давлением» эфира сплющиваются,
укорачиваются. Укорачивается и плита, на которой расположены все приборы, и
сами приборы. Укорачивается и земной шар, и люди, находящиеся на его
поверхности, причем величина всех этих укорочений и сплющиваний равна такой
величине, чтобы уравновесить действие «эфирного ветра». Ученые вводили также
поправку на время распространения «эфирного ветра». Эти идеи были лишь
предположениями, почти ничем не подкрепленными.
Осенью
1904 года Анри Пуанкаре также попытался «спасти» абсолютно неподвижный эфир.
Он попытался вычисления Лоренца оформить в виде более-менее стройной теории,
но «теория» эта была лишь формальностью. Величайшие умы загрустили, казалось,
выхода из создавшейся ситуации нет. Но выход был найден Альбертом Эйнштейном,
он вывел физику из тупика и направил ее в новое русло.
Еще во
время учебы в школе в Аарау Эйнштейн частенько проводил мысленный
эксперимент: что мог бы видеть человек, движущийся за световой волной со
скоростью света. Именно этот вопрос послужил началом размышлений над тем, что
впоследствии было названо теорией относительности.
О
начале своих рассуждений Эйнштейн писал так: «Необходимо было составить себе
ясное представление о том, что означают в физике пространственные координаты
и время некоторого события». Эйнштейн начал с изучения понятия
одновременности. Так, ньютоновская механика утверждает, что в принципе
возможно распространение взаимодействий (т.е. передача сигналов, информации)
с бесконечной скоростью. А согласно теории Эйнштейна, скорость света,
представляющая собой максимальную скорость передачи сигналов, все же конечна
и притом имеет одну и ту же величину для всех наблюдателей триста тысяч
километров в секунду.
Поэтому
понятие «абсолютной одновременности» лишено всякого физического смысла и не
может применяться. Эйнштейн приходит к выводу, что одновременность
пространственно разделенных событий относитедьна. Причиной относительности
одновременности является конечность скорости распространения сигналов.
Правда, представить себе это наглядно мы не можем, так как скорость света
намного больше тех скоростей, с которыми движемся мы.
Если
невозможна «абсолютная одновременность», то не может существовать и
«абсолютное время», одинаковое во всех системах отсчета. Представление об
«абсолютном времени», которое течет раз и навсегда заданным темпом,
совершенно независимо от материи и ее движения, оказывается неправильным.
Каждая
система отсчета имеет свое собственное «локальное время». Учение Эйнштейна о
времени было совершенно новым шагом в науке. «Абсолютное время» было
отброшено, а так как время и движение теснейшим образом связаны между собой,
то возникла необходимость устранить ньютоновское понятие «абсолютного
движения». Это Эйнштейном и было сделано.
Первый и
главный постулат теории Эйнштейна — принцип относительности — гласит, что во
всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и
прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Таким образом, принцип
относительности классической механики экстрополируется на все процессы в
природе, в том числе и электромагнитные. Если же необходим переход от одной
системы отсчета к другой, то надо воспользоваться преобразованиями Лоренца.
Эти уравнения Эйнштейн назвал так в знак глубокого уважения к трудам своего
предшественника. Эйнштейн в своей теории относительности заменил световой
эфир электромагнитным полем. Многие ученые очень болезненно отнеслись к
такому повороту, они никак не могли смириться с тем, что эфира не существует.
Даже великий голландец Лоренц до самой смерти верил в существование эфира.
Второй
постулат Эйнштейна гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех
инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от
скорости приемника светового сигнала. Скорость света — это верхний предел для
всех процессов, протекающих в природе. Скорость света — предельная скорость,
ни один из процессов в природе не может иметь скорость, большую, чем скорость
света.
Из
постоянства скорости света вытекают два знаменитых парадокса или следствия:
относительность расстояний и относительность промежутков времени.
Относительность
расстояний заключается в том, что расстояние не является абсолютной
величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы
отсчета. Размеры быстродвижущихся тел сокращаются по сравнению с длиной
покоящихся тел. При приближении скорости тела к скорости света его размеры
будут приближаться к нулю! Нечто похожее высказывал и Лоренц, пытаясь
«спасти» эфир в опыте Майкельсона.
Относительность
промежутков времени заключается в замедлении хода часов в быстродвижущейся
системе по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета
относительно первой.
Эффекты,
описанные выше, физики называют релятивистскими, т.е. они наблюдаются при
скоростях движения, близких к скорости света.
Что же
произойдет, если на самом деле попытаться ускорить материальное тело до
скоростей, близких к скорости света?
Теория
относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с
теперь уже знаменитой формулой, которую словами можно выразить так: «Энергия
равна массе, умноженной на квадрат скорости света».
Вначале
увеличение энергии тела сопровождается едва уловимым увеличением массы и,
следовательно, инерции тела. Поэтому становится чуть-чуть труднее ускорить
его дальше. По мере приближения скорости к скорости света этот эффект, становясь
все внушительнее, делает невозможным преодоление скорости света.
Формула
Эйнштейна получила в конце тридцатых годов блестящее подтверждение в реакциях
деления урана. При этом одна тысячная часть полной массы исчезала, чтобы
вновь целиком обнаружиться в виде атомной энергии. Даже в обычных химических
реакциях соблюдается энштейновское соотношение, но количества вещества,
появляющиеся или исчезающие во время реакции, меньше одной десятимиллиардной
части всей массы, поэтому обнаружить их невозможно даже с помощью очень
точных весов.
Важно
подчеркнуть, что в специальной теории относительности рассматривается
равномерное движение, т. е. движение с постоянной скоростью, при котором не
изменяется направление движения. Если движение происходит с ускорением,
обусловленным внешними силами, например гравитационным притяжением, то
специальную теорию относительности уже нельзя применять.
То, что
открыл и внес в физику Эйнштейн, было поистине революционно, поэтому немногие
физики поняли сразу, что специальная теория относительности — это гениальное
открытие. Среди тех, кто понял, был Макс Планк, который писал:
«Эйнштейновская концепция времени превосходит по смелости все, что до этого
времени было создано в умозрительном естествознании и даже в философской
теории познания».
В 1908
году немецкий математик Герман Минковский, учивший Эйнштейна в Цюрихском
политехникуме, создал для специальной теории относительности математический
аппарат. В своем знаменитом докладе на съезде немецких естествоиспытателей и
врачей 21 сентября 1908 года Минковский сказал: «Представления о пространстве
и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве
экспериментальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к
радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе
полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий
сохраняет самостоятельное существование».
С тех
пор «мир Минковского» стал неотъемлемой частью специальной теории относительности.
Эйнштейн
сказал однажды Джеймсу Франку: «Почему именно я создал теорию
относительности?
Когда я
задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный
взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени.
По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался
интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли,
когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему,
чем ребенок с нормальными наклонностями». У Эйнштейна не было «взрослой»
уверенности в том, что глобальные проблемы мира уже решены. Это ощущение не
было вытеснено при накоплении специальных знаний и интересов. Он думал о
понятии движения и вернулся к идее, свойственной детству человечества, — к
античной идее относительности, которую заслонило потом понятие эфира как
абсолютного тела отсчета. Когда же понятие эфира было отброшено, то Эйнштейн
сделал вывод, что движение не может быть абсолютным.
|
