Основные положения теории относительности

Теория относительности - главное достижение Эйнштейна - получила признание далеко не сразу. Можно считать, что специальная теория относи­тельности, основы которой, как уже сказано, были созданы Эйнштейном в 1905 г., получила всеобщее признание только в начале 20-х годов. Но и после этого было немало людей, в том числе и физиков, являвшихся ее активными противниками. Более того, даже в настоящее время совсем не редкость ус­лышать против нее возражения. Правда, теперь в большинстве случаев это относится к людям, недостаточно знакомым с физикой. Вероятно, это объяс­няется тем, что основные положения теории относительности, как это будет видно из дальнейшего, очень необычны и не так уж легки для восприятия.

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, 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 значениях преоб­разованных скоростей в различных инерциальных системах) было Эйнштей­ном отброшено, хотя это и представляется сначала странным.  

Цель данной работы – охарактеризовать основы общей теории относительности и специальной теории относительности.

Основы общей и специальной теории относительности

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 специальной теории относительности рассматриваются только инерциальные системы отсчета, т.е. такие, в которых выполняется за­кон инерции и скорость света в вакууме является универсальной постоянной.

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 Mайкельсона 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 (х, у, z), а четвертая координата - время (t).

Получаем, что 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 Майкельсоиа, 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 не одновременно.

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 па 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 направлении 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 i'. Поэтому при относительно ма­лых значениях i когда v/c близко к 0 (а так почти всегда и бывает в макроско­пических, «земных» условиях), х' близко к x-vt, t' близко к t, а уравнения тео­рии относительности могут быть заменены уравнениями классической меха­ники. Наоборот, при больших значениях v, близких к скорости света с, когда отношением v/c пренебречь по малости нельзя, т. о. когда приходится иметь дело с релятивистскими (Релятивистские (от лат. Rolativus - Относительный) эффекты - физические явления, происходящие при скоростях, близких к ско­рости света, или в сильных гравитационных полях) эффектами (например, при расчете ускорителей элементарных частиц или ядерных реакций), фор­мулы классической механики использоваться по понятным причинам не 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.

1. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2003. - 608 с.
2. Асмус В. Ф. Античная философия. 3-е изд. - М., 2001.
3. Гинзбург Л.Л. О шитике и астрофи­зике. 3-е изд., церераб. - М., 1880.
4. Гольбах П. Система природы // Избранные произведения: в 2-х т. Т. 1. - М., 2003. - С. 59 -67.
5. Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. - М., 2008.
6. Кассирер Э. Теория относительности Эйнштейна. Пер. с нем. Изд. Четвертое, 2008. 144 с.
7. Кузнецов В.Г., Кузнецова И.Д., Миронов В.В., Момджян К.Х. Философия: Учебник. - М.: ИНФРА-М, 2004. - 519 с.
8. Маркс К. , Энгельс Ф. Собрание сочинений. Т. 19. - С. 377.
9. Мотрошилова Н. В. Рождение и развитие философских идей: Историко-философские очерки и портреты. - М., 2001.
10. Спиноза Б. Краткий трактат о Боге, человеке и его счастье // Избранные произведения: в 2-х т. Т. 1. - М., 2007. - С. 82 - 83.
11. Тяпкин А.. Шибанов Л. Пуанкаре. ЖЗЛ. - М., 2009.
12. Философия: Учебник / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко. - 2-е изд., испр. и доп.  - M.: Юристъ. 2004.
13. Философия: Учебник / Под ред. проф. О.А. Митрошенкова. - М.: Гардарики, 2002. - 655 с.
14. Эйнштейн А. Физика и реальность: Собр. научн. тр. Т. 4. – М., 1967.