Теория относительности: Альберт Эйнштейн, Анри Пуанкаре, Хендрик Лоренц, Герман Минковский

В 1905 году в немецком научном журнале «Аннален дер физик» появилась небольшая статья объемом всего 30 печатных страниц «К электродинамике движущихся тел». Ее написал 26-летний Альберт Эйнштейн. В этом небольшом объеме была почти полностью изложена специальная теория относительности, вскоре сделавшая знаменитым молодого эксперта патентного бюро. В этом же году в том же журнале появилась статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», дополняющая первую.

Специальная теория относительности выросла из решения электродинамической проблемы движущихся тел, над которой начиная с середины XIX века работали многие физики. Они пытались доказать существование эфира – среды, в которой распространялись электромагнитные волны. Предполагалось, что эфир проникает через все тела, но в их движении участия не принимает. Строились различные модели светоносного эфира, выдвигались гипотезы относительно его свойств. Казалось, что неподвижный эфир может служить той абсолютно покоящейся системой отсчета, относительно которой рассматриваются «истинные» движения тел.

Согласно воззрениям Ньютона и его современников, во Вселенной существуют «нормальные часы», которые отсчитывают ход «абсолютного времени». Кроме того, существует «абсолютное движение», то есть перемещение тела из одного абсолютного места в другое абсолютное место. В течение двухсот лет эти принципы считались верными и незыблемыми. Ни один физик не подвергал их сомнению.

Первым, кто начал открыто их критиковать, был Эрнст Мах. Он начал научную карьеру на кафедре экспериментальной физики, имел в Австрии свою лабораторию. Мах проводил эксперименты со звуковыми волнами, изучал явление инерции. Он пытался опровергнуть понятия «абсолютное пространство», «абсолютное движение», «абсолютное время». Эйнштейн был знаком с работами Маха, и это знакомство сыграло не последнюю роль в его работе над теорией относительности.

В экспериментальной физике ньютоновские догмы также были поставлены под сомнение. Земля движется по своей орбите вокруг Солнца. В свою очередь, Солнечная система перемещается в мировом пространстве. Следовательно, если световой эфир покоится в «абсолютном пространстве», а небесные тела проходят через него, то их движение по отношению к эфиру должно вызывать заметный «эфирный ветер», который можно было бы обнаружить с помощью чувствительных оптических приборов.

Опыт по обнаружению «эфирного ветра» в 1881 году поставил американец Альберт Майкельсон. Он опирался на идею, высказанную Максвеллом двенадцатью годами ранее. Майкельсон рассуждал так: если земной шар движется сквозь абсолютно неподвижный эфир, то луч света, пущенный с поверхности Земли, при определенных условиях будет отнесен назад «эфирным ветром», который дует навстречу движению Земли. «Эфирный ветер» должен возникать только благодаря перемещению Земли относительно эфира.

Первая экспериментальная установка была построена и испытана Майкельсоном в Берлине, все приборы были смонтированы на каменной плите и могли поворачиваться как одно целое. Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Эдуарда Морли. Ученые создали зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер». Результаты всех опытов, проведенных и в 1881 и в 1887 годах, оказались отрицательными – никакой «эфирный ветер», даже самый слабый, зарегистрирован не был. Опыт Майкельсона и на сегодняшний день можно считать одним из самых выдающихся в истории физики. Сам Эйнштейн писал, что этот опыт имел огромное значение для рождения теории относительности.

Но не все физики были согласны с тем, что эфира не существует и что ньютоновы принципы должны быть отброшены навсегда. Голландский физик Хендрик Лоренц в 1895 в попытке «спасти» эфир высказал предположение, что быстро движущиеся тела испытывают сокращение. Еще до Лоренца, в 1891 году, ирландский физик Джордж Фицджеральд сделал подобное предположение, о чем Лоренц не знал. Лоренц и Фицджеральд писали, что все предметы «под давлением» эфира сплющиваются, укорачиваются. Укорачивается и плита, на которой расположены все приборы, и сами приборы. Укорачивается и земной шар, и люди, находящиеся на его поверхности, причем величина всех этих укорочений и сплющиваний есть характеристика, описывающая уравновешивающее действие «эфирного ветра». Ученые также вводили поправку на время распространения «эфирного ветра».

Хендрик Лоренц (1853–1928) вошел в историю физики как создатель электронной теории. Он сделал фундаментальное предположение – эфир в движении вещества участия не принимает. В 1892 году в заметке «Относительное движение Земли и эфира» Лоренц описывает способ согласования результатов опыта с теорией неподвижного эфира, заключающийся в предположении о сокращении размеров тел в направлении движения (сокращение Лоренца-Фицджеральда).

Развивая свои взгляды на примере оптических и электромагнитных явлений в движущихся телах, Лоренц, по существу, приближается к утверждению принципа относительности для электромагнитных явлений. Как мы знаем, в механике такой принцип был введен Галилеем. Он гласил, что никакими механическими опытами невозможно установить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно. А Лоренц высказал предположение, что никакими мыслимыми опытами невозможно обнаружить относительное движение Земли и эфира.

В 1904 году Лоренц в статье «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света» вывел формулы, связывающие между собой пространственные координаты и моменты времени в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца).

В 1898 году один из выпусков широко известного тогда французского научного журнала открылся статьей Пуанкаре «Измерение времени». В ней автор анализировал такие простые, казалось бы, понятия, как равенство двух промежутков времени и соответствие между собой моментов времени в разных точках пространства.

Полученный результат для современников Пуанкаре был весьма неожиданным: абсолютного времени и абсолютной одновременности в природе не существует. Лишь на основе условного соглашения можно считать равными длительности двух промежутков времени и одновременными два явления, происшедшие в разных точках пространства. Это было совершенно новое, неклассическое понимание времени и одновременности. Другое положение статьи 1898 года: Пуанкаре писал о постоянстве скорости распространения света во всех направлениях. Непосредственное участие Пуанкаре в создании теории относительности следует из его статей «Пространство и время», «Новая механика».

В конце XIX века уже были найдены преобразования пространственно-временных координат, составляющие основу теории относительности. Были получены также самые необычные следствия этой теории: о сокращении длин отрезков и расширении временных интервалов.

Осенью 1904 года Анри Пуанкаре также попытался «спасти» абсолютно неподвижный эфир. Он решил оформить вычисления Лоренца в виде относительно стройной теории, но «теория» осталась простой формальностью.

Еще во время учебы в школе в Аарау Эйнштейн проводил мысленный эксперимент: что мог бы видеть человек, движущийся за световой волной со скоростью света? О начале рассуждений сам Эйнштейн писал: «Необходимо было составить себе ясное представление о том, что означают в физике пространственные координаты и время некоторого события». Ученый начал с изучения понятия одновременности. Ньютоновская механика утверждает, что возможно распространение взаимодействий (то есть передача сигналов, информации) с бесконечной скоростью. А согласно теории Эйнштейна, скорость света, представляющая собой максимальную скорость передачи сигналов, все же конечна и притом имеет одну и ту же величину для всех наблюдателей – 300 000 км/с.

Поэтому понятие «абсолютной одновременности» лишено всякого физического смысла и применяться не может. Эйнштейн пришел к выводу, что относительна одновременность событий, разделенных пространственно. Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.

Если невозможна «абсолютная одновременность», то не может существовать и «абсолютное время», одинаковое для всех систем отсчета. Каждая система отсчета имеет свое собственное «локальное время». Учение Эйнштейна о времени стало совершенно новым шагом в науке. Понятие «абсолютное время» было отброшено. Но так как время и движение теснейшим образом связаны между собой, то следовало устранить и ньютоновское понятие «абсолютного движения».

Первый и главный постулат теории Эйнштейна – принцип относительности – гласит, что во всех системах отсчета, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно, действуют одни и те же законы природы. Таким образом, принцип относительности классической механики экстраполируется на все процессы в природе, в том числе и электромагнитные. Если же необходим переход от одной системы отсчета к другой, то следует воспользоваться преобразованиями Лоренца. Эти уравнения Эйнштейн назвал так в знак глубокого уважения к трудам своего предшественника. А вот понятие «светового эфира» Эйнштейн упразднил, заменив его «электромагнитным полем».

Многие ученые очень болезненно отнеслись к такому повороту, они никак не могли смириться с тем, что эфира не существует. Даже великий голландец Лоренц до самой смерти верил в существование эфира.

Второй постулат Эйнштейна гласит, что скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала. Скорость света – предельная скорость, ни один из процессов в природе не может иметь скорость большую, чем скорость света.

Из постоянства скорости света вытекают два знаменитых парадоксальных следствия: относительность расстояний и промежутков времени.

Относительность расстояний: расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной системы отсчета. Размеры быстродвижущихся тел сокращаются по сравнению с размерами покоящихся тел. При приближении скорости тела к скорости света его размеры будут приближаться к нулю! Нечто похожее высказывал и Лоренц, пытаясь «спасти» эфир в опыте Майкельсона.

Относительность промежутков времени: ход часов в быстродвижущейся системе замедляется по сравнению с часами, находящимися в покоящейся системе отсчета относительно первой.

Эти эффекты физики называют релятивистскими, вкладывая в это тот смысл, что наблюдаются они при скоростях движения, близких к скорости света.

Что же произойдет, если на самом деле попытаться ускорить материальное тело до скорости, близкой к скорости света?

Теория относительности утверждает эквивалентность массы и энергии в соответствии с теперь уже знаменитой формулой: «Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света».

Вначале увеличение энергии тела сопровождается едва уловимым увеличением массы и, следовательно, инерции тела. Поэтому становится чуть-чуть труднее ускорить его дальше. По мере же приближения к скорости света этот эффект становится все внушительнее, что делает преодоление скорости света невозможным.

В конце 30-х годов ХХ века формула Эйнштейна получила блестящее подтверждение в реакциях деления урана. При этом одна тысячная часть полной массы исчезала, чтобы вновь целиком обнаружиться в виде атомной энергии. Даже в обычных химических реакциях соблюдается эйнштейновское соотношение, только количество вещества, появляющегося или исчезающего во время реакции, меньше одной десятимиллиардной части всей массы, что весьма тяжело зафиксировать современными устройствами.

Подчеркнем, что в специальной теории относительности рассматривается равномерное движение, то есть движение с постоянной скоростью, при котором направление движения не изменяется. Если движение происходит с ускорением, обусловленным внешними силами, например гравитационным притяжением, – в таких случаях специальная теория относительности неприменима.

В 1908 году немецкий математик Герман Минковский, учивший Эйнштейна в Цюрихском политехникуме, создал для специальной теории относительности математический аппарат. В своем знаменитом докладе на съезде немецких естествоиспытателей и врачей 21 сентября 1908 года Минковский сообщал: «Представления о пространстве и времени, которые я собираюсь развить перед вами, выросли на почве экспериментальной физики. В этом заключается их сила. Они приведут к радикальным следствиям. Отныне пространство само по себе и время само по себе полностью уходят в царство теней, и лишь своего рода союз обоих этих понятий сохраняет самостоятельное существование». С тех пор «мир Минковского» стал неотъемлемой частью специальной теории относительности.

Как видим, приписывать создание специальной теории относительности одному человеку, пусть даже гению, не совсем корректно и, говоря по совести, совершенно непорядочно: Эйнштейн воспользовался разработками идей предшественников, чтобы сделать следующий шаг в науке. Но что было бы при отсутствии таких предшественников?