Главная Детство Первые годы в Швейцарии Первые шаги к признанию Создание теории относительности Общая теория относительности В Америке Последние годы жизни Литература Наибольшую известность Эйнштейну все же принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905, в статье «К электродинамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Вопрос о том, как влияет движение источника и приемника света на оптические явления, возник еще в 18 веке. В 1728 г. Английский астроном Д. Брадлей, наблюдая за неподвижными звездами, обнаружил, что в течение года они описывают на небесной сфере небольшие замкнутые траектории. Это явление получило название звездной аберации. Причина его заключалась в движении Земли по своей орбите и в постоянстве скорости распространения света. По величине аберрации, определяемой отношением v/c, где v - скорость движения Земли, можно было найти скорость света с. Значение ее оказалось равным 308000 км/с, что совпадало с результатами датского астронома О. Ремера, определившего скорость света в 1676 г. по изменению периодов затмения спутников Юпитера. Для объяснения явления аберрации на основе волновой теории света Т. Юнг в 1804 г. высказал гипотезу о не увлекающемся эфире. Согласно этой гипотезе, эфир повсюду, в том числе и в движущихся телах, остается неподвижным. Однако опыт Араго по выяснению зависимости показателя преломления тела от скорости его движения противоречил этой гипотезе, и Ж. Френелю пришлось выдвинуть предположение о частичном увлечении эфира движущимися телами. В 1851 г. французский физик Л. Физо (1819 - 1896) проводит опыт по определению скорости света в движущейся воде и получает результат, хорошо согласующийся с теорией Френеля. Но если теория Френеля справедлива, то появилась возможность определения "абсолютного" движения Земли - движения ее относительно почти неподвижного эфира. (Коэффициент увлечения эфира Землей по Френелю близок к нулю.) Значит, можно ставить опыты по обнаружению "эфирного ветра". Идею подобного опыта высказал еще Д. Максвелл. Суть его сводилась к сравнению времени прохождения светом одного и того же расстояния о дин раз вдоль движения Земли, а другой раз перпендикулярно этому движению. Разница во времени в том и другом случае будет определяться величиной (v/c)2. Так как скорость движения Земли по орбите равна приблизительно 30 км/с, а с=300000 км/с, то v/c=10-4. Следовательно, точность установки для обнаружения описываемого эффекта должна быть порядка 10-8. Максвелл такую точность считал недостижимой. Но уже в 1881 г. молодой американский ученый Альберт Майкельсон (1852 - 1931), проводя опыты на своем знаменитом интерферометре, получил указанную точность. Однако опыт Майкельсона по обнаружению "эфирного ветра", повторяемый в разное время и с увеличивающейся экспериментальной точностью, неизменно давал отрицательный результат. Так в оптике движущихся тел сложилась очень сложная ситуация, и было сделано немало попыток найти из нее выход. Задача эта была разрешена в 1905 г. специальной теорией относительности (СТО) А. Эйнштейна. Но прежде чем говорить о теории относительности, следует сказать об электродинамике движущихся сред, созданной трудами Герца, Лоренца, Пуанкаре и ряда других ученых. В начале 90-х годов 19-го века Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчета, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относительности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое он заслуживал. Дальнейшее развитие электродинамики движущихся сред сделал французский математик Анри Пуанкаре (1854 - 1812). Именно он в 1900 г. на Парижском конгрессе физиков порицал Лоренца за недооценку им принципа относительности, считая его, со своей стороны, общим законом природы. Отрицательный результат опыта Майкельсона, по мнению Пуанкаре, как раз и является выражением этого закона. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что "законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет". Так принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений, в начале 20 - го века был распространен на любые физические процессы. Небезынтересно отметить, что, рассматривая влияние принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что скорость распространения сил тяготения должна быть равна скорости света. Итак, мы видим, что предшественники А. Эйнштейна немало сделали для появления теории относительности. Однако, развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, они опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и особенно о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879 - 1955). Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась "К электродинамике движущихся сред". Она поступила в редакцию журнала "Анналы физики" 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй - применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладет два постулата: Принцип относительности - в любых инерциальных системах все физические процессы - механические, оптические, электрические и другие - протекают одинаково. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах и равна 3*108 м/с. Исходя из этих постулатов, Эйнштейн получил формулы преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Он назвал их, как и Пуанкаре, преобразованиями Лоренца. Как известно, преобразования Галилея для случая равномерного движения вдоль оси ОХ подвижной системы относительно неподвижной имели такой вид: x'=x - vt; y'=y; z'=z; t'=t. Преобразования же Лоренца выглядят так: x'=(x - vt)/(1 - b2)1/2; y'=y; z'=z; t'=(t - xv/c2)/(1 - b2)1/2; где b=v/c. Но если у Лоренца эти преобразования были скорее математическим примером, то у Эйнштейна они означали замену классических представлений о пространстве и времени новыми представлениями. Из этих преобразований можно получить длину тела в разных системах отсчета. Оказалось, что она будет различной. Эйнштейн не удивляется этому. Для него размер тела является величиной не абсолютной (одинаковой во всех системах отсчета), а относительной - зависящей от системы отсчета. Так же обстоит дело и со временем. Если до Эйнштейна считали, что время везде и всегда течет одинаково (t'=t), то в теории относительности, время между двумя одними и теми же событиями будет различным в разных системах отсчета. Так в теории относительности пространство и время потеряли свой абсолютный характер. Из второго постулата Эйнштейна следовало, что скорость света в вакууме является предельной величиной. А раз так, то преобразование Галилея для скоростей u=v+v', по которому могла получиться скорость, большая скорости света, тоже должно быть заменено новым. В теории относительности формула сложения скоростей выглядит так: u=(v+v')/(1+vv'/c2). В том же 1905 г. вслед за первой статьей была опубликована небольшая заметка Эйнштейна, где автор находит связь между массой и энергией. "Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии", - заключает Эйнштейн. Так появилось в науке знаменитое соотношение E=mc2. В 1907 г. выходит новая работа А. Эйнштейна "О принципе относительности и его следствиях". В ней автор вновь говорит о связи массы и энергии и для проверки этого соотношения обращаерся к радиоактивным процессам. Подсчеты показали, что для проверки формулы на известных в то время радиоактивных процессах нужно знать атомные массы элементов с точностью до пятого знака. Эйнштейн писал: "Это, конечно, недостижимо. Однако не исключено, что будут открыты радиоактивные процессы, в которых в энергию радиоактивных излучений превращается большая часть массы исходного атома, чем в случае радия". Мы знаем, что предсказание великого ученого сбылось и его знаменитая формула получила подтверждение в ядерных реакциях. Очень интересна последняя часть работы, где ставится вопрос о распространении принципа относительности на системы, движущиеся с ускорением. Именно здесь впервые появился принцип эквивалентности, согласно которому инертная масса тела равна его гравитационной массе или, что то же самое, силы гравитации физически эквивалентны силам инерции. На основе этого принципа Эйнштейн исследует влияние гравитации на ход часов и распространение света. Он делает вывод, что любой физический процесс протекает тем быстрее, чем больше гравитационный потенциал в области, где разыгрывается этот процесс, и что световые лучи искривляются в гравитационном поле. Итак, в 1907 г. Эйнштейн закладывает первые основы общей теории относительности (ОТО), над разработкой которой он неустанно работал 10 лет. Теория же, созданная им в 1905 г., в которой принцип относительности был сформулирован только для инерциальных систем, получила название специальной (частной) теории относительности (СТО). Период с 1905 по 1907 г. был для Эйнштейна исключительно плодотворным. Кроме теории относительности, он создает в этот период теорию броуновского движения, разрабатывает квантовую теорию света и на основе ее объясняет явление фотоэффекта, создает квантовую теорию теплоемкости. Любой из этих работ было бы достаточно, чтобы обессмертить имя автора, создавшего в 1916 г. еще одну из основополагающих теорий физики 20 - го века - общую теорию относительности.