Марина Рабинович - Неоткрытые открытия, или Кто это придумал?

Хендрик Лоренц (1853–1928) вошел в историю физики как создатель электронной теории. Он сделал фундаментальное предположение – эфир в движении вещества участия не принимает. В 1892 году в заметке «Относительное движение Земли и эфира» Лоренц описывает способ согласования результатов опыта с теорией неподвижного эфира, заключающийся в предположении о сокращении размеров тел в направлении движения (сокращение Лоренца-Фицджеральда).

Развивая свои взгляды на примере оптических и электромагнитных явлений в движущихся телах, Лоренц, по существу, приближается к утверждению принципа относительности для электромагнитных явлений. Как мы знаем, в механике такой принцип был введен Галилеем. Он гласил, что никакими механическими опытами невозможно установить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно. А Лоренц высказал предположение, что никакими мыслимыми опытами невозможно обнаружить относительное движение Земли и эфира.

В 1904 году Лоренц в статье «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света» вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца).

В 1898 году один из выпусков широко известного тогда французского научного журнала открылся статьей Пуанкаре «Измерение времени». В ней автор анализировал такие простые, казалось бы, понятия, как равенство двух промежутков времени и соответствие между собой моментов времени в разных точках пространства.

Полученный результат для современников Пуанкаре был весьма неожиданным: абсолютного времени и абсолютной одновременности в природе не существует. Лишь на основе условного соглашения можно считать равными длительности двух промежутков времени и одновременными два явления, происшедшие в разных точках пространства. Это было совершенно новое, неклассическое понимание времени и одновременности. Другое положение статьи 1898 года: Пуанкаре писал о постоянстве скорости распространения света во всех направлениях. Непосредственное участие Пуанкаре в создании теории относительности следует из его статей «Пространство и время», «Новая механика».

В конце XIX века уже были найдены преобразования пространственно-временных координат, составляющие основу теории относительности. Были получены также самые необычные следствия этой теории: о сокращении длин отрезков и расширении временных интервалов.

Осенью 1904 года Анри Пуанкаре также попытался «спасти» абсолютно неподвижный эфир. Он решил оформить вычисления Лоренца в виде относительно стройной теории, но «теория» осталась простой формальностью.

Еще во время учебы в школе в Аарау Эйнштейн проводил мысленный эксперимент: что мог бы видеть человек, движущийся за световой волной со скоростью света? О начале рассуждений сам Эйнштейн писал: «Необходимо было составить себе ясное представление о том, что означают в физике пространственные координаты и время некоторого события». Ученый начал с изучения понятия одновременности. Ньютоновская механика утверждает, что возможно распространение взаимодействий (то есть 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 – 300 000 км/с.

Поэтому понятие «абсолютной одновременности» лишено всякого физического смысла и применяться не может. Эйнштейн пришел к выводу, что относительна одновременность событий, разделенных пространственно. Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.

Если невозможна «абсолютная одновременность», то не может существовать и «абсолютное время», одинаковое для всех систем отсчета. Каждая система отсчета имеет свое собственное «локальное время». Учение Эйнштейна о времени стало совершенно новым шагом в науке. Понятие «абсолютное время» было отброшено. Но так как время и движение теснейшим образом связаны между собой, то следовало устранить и ньютоновское понятие «абсолютного движения».

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 экстраполируется на все процессы в природе, в том числе и электромагнитные. Если же необходим переход от одной системы отсчета к другой, то следует воспользоваться преобразованиями Лоренца. Эти уравнения Эйнштейн назвал так в знак глубокого уважения к трудам своего предшественника. А вот понятие «светового эфира» Эйнштейн упразднил, заменив его «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 – предельная скорость, ни один из процессов в природе не может иметь скорость большую, чем скорость света.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых парадоксальных следствия: относительность расстояний и промежутков времени.

Относительность расстояний: расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета. Размеры быстродвижущихся тел сокращаются по сравнению с размерами 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: ход часов в быстродвижущейся системе замедляется по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.

Эти эффекты физики называют релятивистскими, вкладывая в это тот смысл, что наблюдаются они при скоростях движения, близких к скорости света.

Что же произойдет, если на самом деле попытаться ускорить материальное тело до скорости, близкой к скорости света?

Теория относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с теперь уже знаменитой формулой: «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 же приближения к скорости света этот эффект становится все внушительнее, что делает преодоление скорости света невозможным.