Рождение теории относительности

Выдающийся вклад Эйнштейна в науку - создание теории относительности. В 1905г. им была опубликована в почти законченном виде специальная, или частичная, теория относительности. В 1907-1916 гг. создана общая теория относительности, которая объединяет современное учение о пространстве и времени с теорией тяготения. По масштабу переворота, совершенного Эйнштейном в физике, его часто сравнивают с Ньютоном. В большинстве задач динамики, имеющих приложение к техническим проблемам, основную систему координат можно связывать с Землей, считая ее неподвижной.

Однако для астрономических задач и задач космических полетов принятие такой инерциальной системы отсчета будет уже неверным, так как Земля вращается вокруг своей оси и движется вокруг Солнца. Для наблюдений за движением планет и космических кораблей в качестве основной системы можно принять систему, связанную с неподвижными звездами. С усовершенствованием методов теоретических и экспериментальных исследований система координат, связанная с неподвижными звездами, также оказалась недостаточной для согласования опытных фактов с результатами вычислений. Это было выяснено Эйнштейном.

Созданная им специальная теория относительности показала, что законы Ньютона не вполне точны и при больших скоростях движения, сравнимых со скоростью света, являются только первым приближением для описания наблюдаемых движений. При скоростях же, значительно меньших скорости света, все расчеты, вытекающие из законов Ньютона, в предположении, что основная система координат связана с неподвижными звездами, достаточно просты и удовлетворяют самым строгим требованиям точности.

Специальная теория относительности В своей работе « К электродинамике движущихся тел » , опубликованной в 1905г., Эйнштейн сформулировал более точную теорию механики быстродвижущихся тел - специальную теорию относительности. В классической механике считалось, что если мы знаем декартовы координаты x, y и время t события в некоторой неподвижной(приближенно) системе координат, то можем легко вычислить координаты и время в инерциальной системе( t = 0 имело координаты = 0 и система ( t координаты точки будут относительно системы ( x, y ) следующими : х = t, y = При этом число интуитивно предполагалось : время t в системе( x, y ) течет так же, как и в системе ( t = ; таким образом, допускалось, что течение времени не зависит от состояния движения тела. Длина масштабной линейки абсолютна, и если в покоящейся системе ( x, y ) некоторый отрезок имеет длину В конце XIX в. накопилось достаточно большое число фактов (главным образом экспериментальных), относящихся к движению частиц со скоростями, сравнимыми со скоростью света, которые не могли быть объяснены исходя из законов классической механики.

Оказалось, что при скоростях порядка скорости света пространственные соотношения(длины отрезков) и течение времени зависят от скорости движения системы( В основе теории относительности лежит факт, полученный опытным путем : независимость скорости света от скорости источника. Одно из главных положений теории относительности заключено в том, что в природе не существует скорости, большей скорости света в вакууме. Это самая большая, или предельная, скорость.

Другое важнейшее следствие теории относительности - связь между массой и энергией.

Эйнштейн установил, исходя из основных положений теории относительности, что энергия содержится в скрытой форме в любом веществе, причем в массе m заключена энергия E , равная произведению массы на квадрат скорости света : . Эта формула помогает понять многие процессы.

Исходными для построения теории относительности являются два закона природы, получившие подтверждение в самых различных явлениях движения. Эти законы были сформулированы Эйнштейном в следующем виде : 1. « Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся » . 2. « Каждый луч света движется в « покоящейся » системе координат с определенной скоростью, независимо от того, испускается этот луч света покоящимся или движущимся телом » . Первый закон распространяет закон эквивалентности инерциальных систем(закон относительности классической механики Галилея - Ньютон) на широкий класс физических явлений.

Второй закон устанавливает постоянство скорости света независимо от скорости движения источника света.

Второй закон кажется наиболее парадоксальным. В самом деле, при изучении движения тел со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, мы убеждаемся и теоретически, и экспериментально, что скорость тела относительно неподвижной системы координат зависит от движения « платформы » , с которой бросание тела производится. Так мяч, брошенный в направлении движения поезда, будет иметь по отношению к Земле большую скорость, нежели мяч, брошенный с неподвижного поезда. Для случая прямолинейного движения результирующая скорость будет равна алгебраической сумме слагаемых скоростей. При движении платформы и тела в одну сторону результирующая скорость будет равна арифметической сумме скоростей и будет подсчитываться по формуле : рез. = где v рез. Есть результирующая скорость тела по отношению к Земле, - скорость платформы, - скорость тела по отношению к платформе. Закон сложения скоростей в теории Эйнштейна записывается иначе : Из этого уравнения следует, что результирующая скорость всегда меньше скорости света. Даже в предельном случае, когда = с, Существенные изменения претерпевают и другие понятия механики. Масса тела в задачах специальной теории относительности зависит от скорости движения тела : В этой формуле - масса тела при v = 0 (масса « покоя » ), m - масса тела, движущегося со скоростью v , и масса тела неограниченно возрастает, если его скорость приближается к скорости света. Время в теории относительности не является универсальным ; для движущегося наблюдателя время течет медленнее, чем для неподвижного. Связь времен, показываемых покоящимися и движущимися часами, определяется формулой : где - время, отсчитываемое неподвижными часами, а t - время, показываемое часами, движущимися со скоростью v относительно неподвижной системы. Для обычных задач механики величина очень мала по сравнению с единицей, и механика Ньютона дает весьма точные результаты. При скоростях, близких к скорости света, уточнения, даваемые теорией относительности, приобретают принципиальный характер и в настоящее время, например, конструирование ускорителей, определение времени жизни элементарных частиц и экспериментальное определение массы быстродвижущихся тел не могут быть произведены без учета результатов, вытекающих из специальной теории относительности. В начале нашего века Эйнштейн начал разрабатывать очень сложную физическую теорию, которая получила название общей теории относительности. По расчетам Эйнштейна выходило, что притяжение света можно обнаружить только в очень сильных полях тяготения, например на малых расстояниях от поверхности Солнца. И вот в начале 1919г. Были снаряжены две экспедиции. Одна из них расположилась неподалеку от бразильского города Сорбаль , а другая - на острове Принчипе у берегов западной Африки. В этих местах в мае 1919г.

Должно было наступить полное солнечное затмение. Кроме обычных исследований было решено проверить выводы эйнштейновской теории. Нужно было определить положение звезд, видимых в телескоп на одном и том же участке неба, в двух случаях - когда звездные лучи идут вдалеке от Солнца и в момент, когда они падают на Землю, проходя вблизи солнечного диска. Это последнее наблюдение можно сделать только во время полного солнечного затмения, иначе звезды не будут видны на фоне яркого света, рассеиваемого атмосферой. 29 мая 1919г.