Введение
Теория относительности сыграла решающую роль в физике, раскрыв качественно новую взаимосвязь материальных объектов – тел, частиц, полей – и пространства-времени как формы их существования. Сначала (в частной теории относительности) эта взаимосвязь была лишь кинематической, затем (в общей теории относительности) закономерно включила в себя и динамику.
Говорят, что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал на трамвае по Бёрну (Швейцария), взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы – и времени бы вокруг не стало [5]. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности – что различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.
Говоря научным языком, в тот день Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Если пассажир трамвая, например, уронит очки, то для него они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого своя система отсчета.
И хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то есть являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.
Как любую гипотезу, принцип относительности нужно было проверить путем соотнесения его с реальными природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные (хотя и родственные) теории. Специальная, или частная, теория относительности исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности распространяет этот принцип на любые системы отсчета, включая те, что движутся с ускорением. Основы частной (или специальной) теории относительности были даны А. Эйнштейном в 1905 г., но свое название она получила лишь в 1916 г. – после того, как было завершено построение общей теории относительности [3; 507].
Возникновение частной теории относительности
Осознание универсальной справедливости принципа относительности для любых физических явлений – результат сложного исторического развития. В XIX веке считалось, что принцип относительности справедлив только в механике, но несправедлив в оптике и в электродинамике. Представлялось, что электромагнитные волны (в том числе свет) – это волны в особой среде – эфире, заполняющем все пространство и определяющем привилегированную систему отсчета, покоящуюся относительно эфира, в которой только и справедливы законы оптики и уравнения электродинамики. Казалось очевидным, что в системе тел, движущихся относительно эфира, оптические и электромагнитные явления будут происходить иначе, чем в неподвижной. Но все попытки обнаружить явление такого рода, предпринимавшиеся в XIX – начале XX вв, потерпели неудачу. Объяснение неудач искали в динамике: используя конкретные динамические законы, сформулированные в системе покоя эфира, показывали, что в данной системе тел эффекты, связанные с движением относительно эфира, компенсируются. Эта программа нашла известное отражение в работах голландского физика Х. Лоренца и французского математика А. Пуанкаре, где было показано, что если принять лоренцовский вариант электродинамики электронов и предложенную Пуанкаре модель электрона, сжимаемого постоянным давлением эфира, то компенсация будет точной и принцип относительности, понимаемый как невозможность обнаружения движения относительно эфира, выполняется[3].
В 1905 году в работе Пуанкаре были исследованы групповые свойства преобразований движения и преобразований вращения с точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно эфира. Результаты этой работы поспособствовали открытиям Альберта Эйнштейна. Он создал последовательную теорию измерений времени и координат в инерциальной системе отсчета и обнаружил относительный характер релятивистского замедления времени и сокращения масштабов. Математический аппарат теории в полной форме был развит немецким ученым Г. Минковским в 1908 году.