Страницы истории науки и техники
Шрифт:
В 1933 г. по причине нападок на него со стороны идеологов немецкого фашизма как на общественного деятеля — борца против войны и еврея Эйнштейн покинул Германию, а в дальнейшем, в знак протеста против фашизма, отказался от членства в академии наук Германия. Всю заключительную часть своей жизни Эйнштейн провел в г. Принстоне (США), работая в Принстонском институте фундаментальных исследований.
Эйнштейн, приступая к разработке теории относительности, принял два из трех положений, сформулированных в начале этого раздела, а именно: 1) скорость света в вакууме неизменна и одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, и 2) для всех инерциальных систем все законы природы одинаковы, а понятие абсолютной скорости теряет значение, так как нет возможности ее обнаружить. Третье, противоречащее первому положение (о различных
Из сказанного ранее читателю известно, что существует частная (или специальная) теория относительности и общая теория относительности. Частная теория относительности рассматривает и формулирует физические законы применительно только к инерциальным системам, т. е. к таким системам, в которых справедлив закон инерции в том виде, как он был установлен Галилеем, в то время как общая теория относительности применима к любым системам координат, в ней формулируются законы для поля тяготения.
Таким образом, как это и следует из названий, специальная теория относительности является частным случаем более всеобъемлющей, общей теории относительности. Тем не менее в действительности сначала была разработана частная (специальная) теория относительности и уже после этого — общая теория относительности. Мы будем вести рассказ этим же путем.
В механике Ньютона существует абсолютное пространство и абсолютное время. Пространство вмещает в себя материю, неизменно и никак не связано с материей. Время абсолютно, и его течение никак не связано ни с пространством, ни с материей. Такое представление интуитивно и, по данным классической механики, нам кажется естественным, правильным. Но правильно ли оно в действительности? Не подводит ли нас еще раз интуиция (как это было в случае определения зависимости между прилагаемой силой и скоростью движения)? И как, наконец, увязать механику Ньютона с опытом Майкельсона о неизменности скорости света в вакууме?
Теория относительности покоится на том, что понятия пространства и времени в противоположность механике Ньютона не абсолютны. Пространство и время, по Эйнштейну, органически связаны с материей и между собой. Можно сказать, что задача теории относительности сводится к определению законов четырехмерного пространства, три координаты которого являются координатами трехмерного объема (x, y, z), а четвертая координата — время (t).
Что получаем, отбирая у понятий пространства и времени абсолютные значения и вводя (что в принципе одно и то же) четырехмерное пространство вместо трехмерного? Дело в том, что доказанное опытом постоянство скорости света заставляет отказаться от понятия абсолютного времени. Это не сразу очевидное утверждение может быть доказано простым мысленным опытом.
Допустим, что мы снова имеем двух наблюдателей: внутреннего, помещающегося внутри движущегося замкнутого объема, и внешнего, находящегося вне этого объема. Пусть источник света, как и раньше, помещается внутри движущегося замкнутого объема и перемещается вместе с ним. Только теперь в отличие от ранее рассмотренного аналогичного опыта ни о каком эфире речь не идет, поскольку вопрос о его существовании решен отрицательно.
Что же обнаружат внутренний и внешний наблюдатели? Внутренний наблюдатель, движущийся вместе с замкнутым объемом, обнаружит, что свет одновременно достигнет всех стенок объема, если, они, конечно, находятся на одинаковом расстоянии от источника света. Внешний наблюдатель, для которого, согласно опыту Майкельсона, движение источника света несущественно, также увидит световой сигнал, идущий во все стороны с равной скоростью. Но так как одна из стенок замкнутого объема будет, как ему покажется (в его системе координат), приближаться к источнику света, а другая отдаляться от него, то свет достигнет этих двух стенок неодновременно.
Следовательно, получается, что два события, одновременные в одной системе координат, могут быть неодновременными в другой системе координат.
Объяснение этого положения оказалось возможным только путем изменения основных понятий — пространства и времени, что и было сделано, как уже сказано, Эйнштейном. Как следует из созданной им на этой основе частной теории относительности, может быть получена единственно возможная однозначная зависимость между временем и длиной для инерциальных систем координат. Если обозначить для двух систем инерциальных координат (относительно покоящейся и относительно движущейся) соответственно длины в направлений относительной скорости v через х и х', время через t и t’, скорость света с, то получаются формулы, именуемые иногда математической основой частной теории относительности:
Из этих формул следует, что, чем больше v, чем ближе v к с, тем больше различие между х и х' и между t и t’. Поэтому при относительно малых значениях v, когда v/с близко к 0 (а так почти всегда и бывает в макроскопических, «земных» условиях), х' близко к х — v/t, t' близко к t, а уравнения теории относительности могут быть заменены уравнениями классической механики. Наоборот, при больших значениях и, близких к скорости света с, когда отношением v/с пренебречь по малости нельзя, т. е. когда приходится иметь дело с релятивистскими [310] эффектами (например, при расчете ускорителей элементарных частиц или ядерных реакций), формулы классической механики использоваться по попятным причинам нс могут. Из этих же формул видно также, что скорость света с, равная, как известно, огромной величине — 300 тыс. км/с является предельной. Выше скорость любого объекта быть не может. Действительно, если бы V была больше с, то под знаком корня оказалось бы отрицательное число и, следовательно, х' и t’ были бы мнимыми числами, чего быть не может.
310
Релятивистские (от лат. relativus — относительный) эффекты—. физические явления, происходящие при скоростях, близких к ’ скорости света, или в сильных гравитационных полях.
Следует назвать работы Лоренца и Пуанкаре в связи с созданием частной теории относительности.
Нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц (1853–1928) был одним из крупнейших ученых своего времени. Он создал классическую электронную теорию, которая нашла свое завершение в монографии Лоренца «Теория электронов» (1909) и позволила объяснить многие электрические и оптические явления. Лоренц занимался вопросами диэлектрической и магнитной проницаемости, электропроводности и теплопроводности, некоторыми оптическими явлениями. Когда нидерландский физик Питер Зееман (1865–1943) открыл новый эффект (в 1896 г.), носящий теперь его имя, Лоренц дал теорию этого эффекта и предсказал поляризацию компонент зеемаповского расщепления (существо дела состоит в том, что атомная система, имеющая магнитный момент и попадающая во внешнее магнитное ноле, приобретает дополнительную энергию и ее спектральные линии расщепляются).
Особое место занимают работы Лоренца, выполненные в конце XIX в., в которых он близко подошел к созданию частной теории относительности. Когда в 1881 г. Майкельсон опытным путем установил постоянство скорости света в вакууме и независимость ее от движения источника и приемника света, возникла, как уже говорилось, проблема согласования этого опыта с электродинамикой и оптикой, представления о которых были построены на существовании эфира.
В 1892 г. Лоренц (а до него в 1889 г., английский физик Дж. Фицджеральд) получил уравнения, названные его именем (преобразования Лоренца), которые дают возможность установить, что при переходе от одной инерциальной системы к другой могут изменяться значения времени и размера, движущегося объекта в направлении скорости движения. Если тело движется со скоростью V относительно некоторой инерциальной системы координат, то физические процессы, согласно преобразованиям Лоренца, будут протекать медленнее, чем в данной системе, в
где с — скорость света.
Во столько же раз в новой инерциальной системе координат сократятся продольные (в отношении скорости V) размеры движущегося тела. Очевидно, что уравнения, именуемые математической основой частной теории относительности, не отличаются от преобразований Лоренца и могут быть приведены к единому виду. Из преобразований Лоренца также видно, что скорость света является максимально возможной скоростью.
Лоренц признавал существование эфира и считал в отличие от Эйнштейна, что более медленное течение времени и сокращение размеров, о которых речь шла выше, есть результат изменения действующих в телах электромагнитных сил при движении тела через эфир.