7.1.2. Специальная теория относительности (сто).

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

Специальная теория относительности 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 – Г.А.Лоренца (1853 –1928), 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 и представлением об эфире – всепроникающей идеальной светоносной среде, заполняющей всё мировое пространство.

В электродинамике уравнения Максвелла интерпретировались как записанные относительно системы отсчёта, 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 v, где с — скорость света относительно эфира, a 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. ее 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 1881г. 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 остаётся постоянной и не зависит об движения источника света.

В дальнейшем эксперименты Майкельсона неоднократно повторялись (А.Майкельсон и Э.Морли (1887), Э.Морли и Д.К.Миллер (1902—1904), 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».¹

Заметим, что эксперименты по исследованию движения Земли относительно эфира были продолжены в 1921 – 1925г.г. в американской обсерватории Маунт Вилсон, расположенной на высоте 1800м. Группой исследователей под руководством Д.К.Миллера были получены устойчивые положительные результаты, которые подтверждали наличие эфира.² Но всё это произошло уже после того, как теория относительности Эйнштейна получила общее признание.

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

Одновременно с этим шёл поиск преобразований, оставляющих уравнения Максвелла инвариантными, т.е. сохраняющими свою форму при переходе от одной системы отсчёта к другой. В том же 1892 г. Лоренц ввёл так называемое местное время и показал, что уравнения Максвелла остаются неизменными при движении системы отсчёта сквозь эфир. В 1904 г. Лоренц вывел преобразования, на основе которых можно формально добиться сохранение вида уравнений Максвелла при переходе от одной (x, y, z, t) 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, по 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 t′ должно рассматриваться только в качестве вспомогательной математической величины».¹

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 отсчёта 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 отсчёта.

Длина не есть характеристика тела самого по 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 своём анализе специальной теории относительности,¹ длина и временной промежуток в ней становятся относительными, зато появляется 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 приведённых 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 учёных сразу приняли специальную теорию относительности: М. Планк и сам Эйнштейн построили релятивистскую динамику и термодинамику. Г. Минковский в 1907 году представил математическую модель кинематики специальной теории относительности, в которой преобразования Лоренца вытекают из геометрии четырёхмерного 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».¹

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 учёные как Дж.Дж.Томсон, (1856 — 1940) — английский физик, открывший электрон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года, Ф. Ленард (1862 – 1947), немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1905 г., и 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 20-х годов были получены устойчивые положительные результаты.¹ 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 1904г. для случаев движения зарядов в эфире, то есть за год до создания Эйнштейном теории относительности. Поэтому совпадение экспериментов с расчётами по специальной теории относительности может означать и подтверждение теории Лоренца, противоречащей теории относительности. Но могут быть и другие трактовки тех же результатов.