Теория относительности

Теория относительности была предложена Альбертом Эйнштейном и её краткая суть состоит в том, что время и пространство взаимосвязаны (образуя единое пространство-время) и что движение определяется системой отсчёта. Теория может быть разделена на специальную теорию относительности (имеющей дело в основном с инерциальными системами отсчёта, т.е. прямолинейным и равномерным движением тел относительно друг друга) и общую теорию относительности (которая включает в рассмотрение ускоренное движение и гравитацию).

Специальная теория относительности

Специальная теория относительности (СТО) была предложена Эйнштейном в 1905 году в качестве обобщения преобразований Лоренца, что привело к распространению применимости уравнений Максвелла на все инерциальные системы отсчёта, движущиеся друг относительно друга с произвольной постоянной скоростью.

Постулаты

СТО исходит из двух постулатов:

1. Принцип относительности: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
2. Скорость света в вакууме не зависит от системы отсчёта.

Первый постулат является обобщением принципа относительности Галилея, который в отношении механических явлений был впервые выведен и сформулирован Галилео Галилеем. При отсутствии вибраций или других ускорений невозможно отличить равномерное прямолинейное движение от состояния покоя.

Тем не менее обобщение этого постулата достаточно парадоксально и, кроме того, прямо противоречит теории светоносного эфира, общепринятой теории того времени, согласно которой пространство заполнено веществом, колебания которого являют собой свет. Независимо от этой теории, стороннему наблюдателю трудно было сделать валидные предсказания. Если луч света движется к наблюдателю со скоростью c, а сам наблюдатель движется навстречу ему со скоростью v, то можно было бы ожидать, что он будет наблюдать скорость света равной c+v. Однако, согласно первому постулату, наблюдаемая скорость будет оставаться равной c. Несмотря на свою необычность, этот постулат представляется верным, как это следует из опыта Майкельсона–Морли.

В связи с этим можно сделать достаточно неожиданный вывод о том, что время и пространство не являются универсальными, в то время как скорость света в вакууме таковой является. Неспособность измерить это отсутствие универсальности было следствием того, что величина скорости света по отношению к скоростям, с которыми приходилось иметь дело ранее, необычайно велика. Поэтому даже сейчас часто приходится пользоваться следствиями этого постулата о скорости света.

Этот постулат менее очевиден, но посредством аргументов Майкельсона и Морли в конце 19 века научное сообщество было им удовлетворено.

Следствия

Согласно специальной теории относительности, для любой системы отсчёта наблюдаемые события в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой с постоянной скоростью, будут протекать дольше, чем эти же события, наблюдаемые в первой системе (либо их длительность, измеренная во второй системе), а все объекты второй системы отсчёта будут обладать сокращённой длинной вдоль своего направления движения относительно первой системы. Эти эффекты, известные соответственно как замедление времени и сокращение длины, относительны, и они не будут наблюдаться из системы отсчёта, в которой происходят экспериментальные события.

Иным важным следствием специальной теории относительности является магнетизм. Эффект сокращения длины применительно к векторным полям движущихся объектов позволил физикам получить магнетизм в качестве прогнозированного следствия электрических зарядов.

Другим следствием является то, что масса и энергия тесно взаимосвязаны и что массу также можно рассматривать как величину, зависящую от системы отсчёта (т.н. "релятивистская масса") и стремящуюся к бесконечности, когда скорость тела приближается к скорости света в вакууме. Вследствие этого усложняется дальнейшее ускорение объекта, поскольку по мере приближения его скорости к c для этого требуется всё большая сила (и энергия). Таким образом, ни один объект ненулевой "массы покоя" не может достичь скорости света.

Примечательно, что согласно с другим результатом СТО, никакая информация не может быть передана из одной части Вселенной в другую быстрее, чем со скоростью света в вакууме. Этот результат имеет важные последствия для закона всемирного тяготения Ньютона, согласно которому гравитация является мгновенной силой, действующей на потенциально бесконечные расстояния. В конечном итоге это привело к замене ньютоновской теории гравитации на общую теорию относительности.

Общая теория относительности

Общая теория относительности (ОТО) является более сложной тематикой и предметом её изучения являются ускоренные системы отсчёта и гравитация. Наподобие специальной теории относительности, её выводы порой далеки от интуитивных, но тем не менее являются хорошо подтверждёнными подавляющим большинством экспериментов по состоянию на сегодня.

ОТО основана на принципе эквивалентности, который гласит, что в достаточно малой области пространства ускоренная система отсчёта неотличима от системы отсчёта в гравитационном поле (более точно: что силы инерции, испытываемые в ускоренно движущейся системе отсчёта, неотличимы от гравитации). К числу её наиболее важных следствий относится то, что время течёт медленнее в гравитационных полях и что пространство-время может быть неевклидовым, т.е. "искривлённым".

В общей теории относительности гравитация являет собой фиктивную силу, а траектория объектов изменяется ввиду того, что в окрестности массивных объектов само пространство-время искривляется.

Одной из важных нерешённых проблем современной физики является несовместимость ОТО и квантовой механики. Несмотря на то, что обе теории превосходно подтверждены в разных областях исследований (ОТО – в области больших и массивных объектов, а квантовая механика – в микромире), они в простейшем случае представляются фундаментально несовместимыми. Тем не менее эта проблема пока не имела "прикладного" значения, и обе эти теории как минимум являются хорошими приближениями реальных событий в природе, описывая их в разных масштабах. В настоящее время существует ряд непротиворечивых теорий, объединяющих квантовую механику и гравитацию, например теория суперструн. И квантовая механика, и ОТО являются предельными случаями, вытекающими из этих более общих теорий.

См. также

• Теория относительности доказала истинность геоцентризма
• Большой взрыв
• Отрицание теории относительности
• Парадокс близнецов

Внешние ссылки

• Теория относительности — ЭвоВики.
• А. Энштейн. Подборка материалов.