Специальная теория относительности

Специальная теория относительности (СТО) является результатом распространения принципа относительности на электромагнитные взаимодействия. Создана трудами Х.Лоренца, Д.Фицджеральда, Д.Лармора, А.Пуанкаре, Г.Минковского и, прежде всего, А.Эйнштейна.

Создание Максвеллом теории электромагнитного поля и экспериментальное доказательство его реальности поставили вопрос о распространении принципа относительностиГалилея (неизменность законов физики во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) относительно преобразований Галилея) на электромагнитные явления. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, нековариантны (нетождественны) относительно преобразований Галилея. Х.Лоренц нашел преобразования между разными ИСО (1892), относительно которых уравнения Максвелла ковариантны. Но он не понял их физический смысл, пытаясь совместить с классическими представлениями о пространстве и времени.

В 1905 году появилась работа А.Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В ней он сформулировал основные положения СТО, которая объяснила отрицательный опыт А.Майкельсона по обнаружению мирового эфира (1887), смысл преобразований Х.Лоренца, а также новый взгляд на пространство и время. Эксперимент Майкельсона показал постоянство и независимость скорости света от движения Земли (относительно, как предполагалось, неподвижного эфира).

Постоянство скорости света в любой СО противоречило принципу относительности Галилея. Эйнштейн пришел к выводу, что необходимо сохранить принцип постоянства скорости света и принцип относительности (законы природы одинаковы во всех ИСО), но отказаться от преобразований Галилея. Было отвергнуто представление о существовании эталонной абсолютной системы отсчета, которую связывали с эфиром. СТО раскрыла физический смысл скорости света – это предельная скорость материальных взаимодействий (скорость безмассовых частиц), максимальная скорость в природе. Для объяснения природы света эфир не нужен. Если классическая термодинамика наложила запрет на создание вечного двигателя, то СТО – на превышение скорости света.

Лоренц предположил, что опыт Майкельсона объясняется уменьшением размеров движущегося в эфире тела в направлении движения относительно неподвижного эфира. У Эйнштейна эти преобразования имеют другой смысл: размеры тел характеризуют не их отношение к абсолютному пространству, а отношение тел друг к другу (то же относится и ко времени). В СТО размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер. Тела сокращаются, а время замедляется по отношению к неподвижной системе отсчета, а внутри движущейся системы процессы протекают обычным образом. Масса тела также становится относительной величиной, зависящей от его скорости движения.

СТО показала зависимость пространственно-временных отношений от скорости движения материальных тел. Эйнштейн в 1905 году получил формулы преобразования координат и времени, релятивистскую формулу сложения скоростей и открыл закон эквивалентности массы и энергии Е=mc². Согласно этому закону масса является относительной величиной: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии». Формула не означает, что масса может перейти в энергию. Энергия переходит из одной формы в другие, что сопровождается изменением массы. Обнаружилась зависимость массы от скорости – с увеличением скорости масса тела растет. Это две «стороны одной медали».

Математический аппарат СТО был разработан Г.Минковским (1908). С математической точки зрения СТО есть геометрия плоского четырехмерного пространства-времени. Наряду с понятием скорости в пространстве вводится понятие скорости во времени. При этом суммарная скорость движения объекта во всех четырех измерениях равна скорости света. При максимально возможной скорости в пространстве движение тела во времени полностью переходит в движение тела в пространстве. В таком случае время останавливается. Поэтому фотоны никогда не стареют (время жизни бесконечно).

СТО подтверждена на обширном материале. Замедление времени демонстрируют пионы (пи-мезоны), образующиеся при столкновении космических лучей с атмосферой. Их собственное время жизни10^-8сек. За это время можно пройти с околосветовой скоростью не больше 3 метров, а они проходят 30 км. Экспериментально подтверждено, что налетающая с большой скоростью частица по отношению к покоящейся проявляет себя не как сфера, а как сплющенный в направлении движения диск.

По Ньютону пространство и время абсолютны. В СТО абсолютен пространственно-временной континуум – это «арена», на которой разыгрываются физические процессы, не оказывая обратного воздействия на нее. Идея субстанциональности пространства и времени окончательно изгоняется лишь в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна.

СТО не отрицает возможность существование частиц, движущихся со сверхсветовыми скоростями (тахионов). Можно построить непротиворечивую теорию, не нарушающую принцип причинности (естественная обусловленность всех явлений объективного мира). Например, в субмикроскопических областях пространства, где нельзя однозначно разделить прошлое и будущее.

Поиск по сайту: