Наталья Сердцева - Теория относительности Эйнштейна за 1 час

Для того чтобы вывести самую известную формулу всех времен, Эйнштейн смоделировал ситуацию, в которой присутствует тело, распространяющее электромагнитное излучение, и две системы отсчета для его описания. Первая система отсчета покоится, вторая движется относительно тела с постоянной скоростью. Совершив математические расчеты, Эйнштейн обнаружил: испуская излучение, тело теряет не только энергию, но и массу. Таким образом, эти две величины взаимосвязаны, масса переходит непосредственно в энергию. На этой стадии ученый делает вывод, что масса тела – это мера энергии, которая в нем содержится. Если меняется количество энергии, то и масса меняется на соответствующую величину. Это и выражено формулой Е = тс 2.

Нужно отметить, что в момент выхода в свет революционных работ, совершивших переворот в физике, Эйнштейн не только не был признанным ученым, к нему вообще относились настороженно в научных кругах. Хотя у него были друзья и единомышленники, знавшие о темах его работы, большая часть научного сообщества не ожидала от него мало-мальски толковых трудов. Он был на периферии науки и вот оказался в самом ее центре, там, где кипели страсти и дискуссии.

О принципе относительности говорил еще известный физик и астроном Галилео Галилей в XVI веке. В трактате «Диалог о двух главнейших системах мира» он предложил читателям такой эксперимент: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторном помещении под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте далее наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд – с узким горлышком, подставленный внизу.

Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая другу какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении.

Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, также как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой…»

В сегодняшней физике принцип относительности сформулирован так: во всех инерциальных системах отсчета (находящихся в неподвижности или движущихся равномерно и прямолинейно) механические явления происходят одинаково, по одним и тем же законам.

Чтобы понять важность такого фактора, как система отсчета, можно рассмотреть эксперимент Галилея с точки зрения геометрии. Представим, что на причале стоит наблюдатель, фиксирующий движение корабля. Ему будет соответствовать первая, неподвижная система отсчета. Второй наблюдатель и вторая система отсчета – движущаяся – находятся в трюме.

Если корабль движется вдоль причала с постоянной скоростью, то положение в пространстве второго наблюдателя изменяется, но он этого не знает. Он определяет свои координаты как находящиеся на нулевой отметке оси координат. Первый наблюдатель видит, как меняется положение второго, и может определить его координаты на своей оси. Они будут отличаться от нулевой отметки на то расстояние, которое преодолел второй наблюдатель. Для того чтобы получить возможность связать между собой первую и вторую систему отсчета, были созданы преобразования Галилея, представляющие собой систему несложных уравнений. Они позволяют перевести координаты из одной системы отсчета в другую. В нашем случае первый наблюдатель, чтобы определить местоположение второго, прибавляет расстояние, которое тот проделал. Второй же для определения местоположения первого должен это расстояние вычесть.

Если пойти дальше, можно задуматься о том, что первый наблюдатель не неподвижен, он движется вместе с планетой Земля вокруг Солнца – это уже третья система отсчета. Солнце тоже не стоит на месте, оно вместе с другими звездами вращается вокруг цента Млечного Пути. Таким образом, систем отсчета может быть бесконечное количество. Движущийся корабль, с которого начался эксперимент, в каждой из этих систем отсчета будет иметь разные траектории, все более усложняющиеся по мере перехода из одной системы отсчета в другую. И для каждой из систем отсчета будут верны законы Ньютона и его формулы. Классическая динамика работает независимо от того, в какой системе находится объект, покоится он или движется, – в этом и заключается суть принципа относительности Галилея.

После того как Максвелл в XIX веке создал уравнения, описывающие электромагнитные взаимодействия, было обнаружено, что они противоречат законам Ньютона и принципу относительности Галилея. При переводе уравнений из одной системы отсчета в другую (с использованием преобразований Галилея) они, в отличие от законов Ньютона, изменялись. При переходе в движущуюся систему координат в них появлялись новые элементы, соответствующие странным физическим явлениям. К примеру, линии магнитного поля, которые в неподвижном состоянии неразрывны, при движении, в соответствии с уравнениями, становились прерывистыми.

Так как преобразования Галилея не справлялись с электромагнитными уравнениями Максвелла, нужны были другие уравнения. Их после многолетней работы вывел Хендрик Лоренц. Уравнения Лоренца позволяли перевести формулы Максвелла из одной системы координат в другую без усложнения и появления новых элементов. Главное отличие преобразований Лоренца от уравнений Галилея заключалось во введении дополнительного параметра – скорости.

Необходимо отметить, что если скорости исследуемых объектов намного меньше скорости света, то преобразования Лоренца трансформируются в преобразования Галилея. Таким образом, в привычной, обыденной реальности продолжают работать законы Ньютона, хорошо всем понятные. Более сложные теории, в том числе и специальная теория относительности Эйнштейна, работают в сфере сверхвысоких скоростей, с которыми мы в повседневности не сталкиваемся. Именно поэтому нам так сложно понять эти теории и вытекающие из них следствия.