Частная теория относительности – это основа физического учения о пространстве, времени и движении. В её рамках пространство и время удается объединить. Таким образом, частная теория относительности позволяет в самом общем виде и весьма простыми средствами представить физическое учение о движении как проявление геометрии пространства-времени (в теоретической физике математика является разговорным языком).
Частная теория относительности изучает свойства пространства-времени, «справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения» [3; 507]. То есть специальная теория рассматривает инерциальные системы отсчета.
Инерциальной называется система отсчета, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная [8].
В основе теории относительности лежат два положения: принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета («все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущество перед другими» [1; 82]), и закон распространения света постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения источника света.
Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой – это преобразования Лоренца (преобразования описывают связь между координатами и временем конкретного события в двух различных инерциальных системах отсчета):
,
где с-параметр преобразования, имеющий смысл предельной скорости движения и, соответственно, равный скорости света в вакууме.
Характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности:
~ существование предельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме;
~ относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой);
~ замедление течения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тел («Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения – напротив, сжимается»[5]).
Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.
Основные понятия частной теории относительности
Теория Эйнштейна показала, что пространство – это не неизменная абсолютная пустота, которую представлял себе Ньютон. В определенном смысле это физический «объект» гораздо более сложный, чем можно себе представить. Оно может не только растягиваться, искривляться и изменяться от точки к точке, но из него внезапно могут рождаться частицы. Уверена, мы до сих пор не знаем обо всех свойствах пространства и даже не в состоянии их вообразить.
Второе из фундаментальных понятий – время – еще более загадочно, чем пространство. Мы ощущаем ход времени и легко отличаем текущий момент от прошлого и будущего, и потому считаем, что нам все понятно. Но физическое время, которое мы ощущаем, совсем не то, что время математическое. Эйнштейн как-то с юмором сказал: «Когда у вас на коленях сидит хорошенькая девушка, час пролетает, как минута, но даже минута на раскаленной плите кажется часом» [4; 25]. Физики считают, что нельзя измерить скорость течения времени, ведь часы измеряют только временные интервалы.
Ньютон был убежден в том, что время, как и пространство, абсолютно – течение его неизменно и всегда одинаково во всех уголках Вселенной. Частная теория относительности утверждает, что это не так. Одним из фундаментальных следствий частной теории относительности является вывод о том, что вещество не может двигаться со скоростью света. Именно недостижимость скорости света и порождает еще одно фундаментальное понятие – причинность (смысл его в том, что каждое событие вызывается каким-то другим). Если бы сверхсветовая скорость существовала, мы могли бы путешествовать в прошлое и будущее, вмешиваясь в ход истории. Не исключено, что когда-нибудь появится возможность наблюдать за прошлым, не вмешиваясь в него.