О пространстве и времени. В сентябре 1905 года в немецком журнале «annalen der Physik» появилась статья 26-летнего клерка швейцарского патентного Бюро Альберта Эйнштейна (1879 ‒

В сентябре 1905 года в немецком журнале «Annalen der Physik» появилась статья 26-летнего клерка швейцарского патентного бюро Альберта Эйнштейна (1879 ‒ 1955). Малоизвестный ученый пришел к выводу о том, что необходимо пересмотреть воззрения на пространство и время, которые сложились в классической физике. Одним из них является представление об одновременности двух событий.

По Эйнштейну, говорить о длине тела имеет смысл, если его крайние точки измерены одновременно. Но события, которые являются одновременными для неподвижного наблюдателя, могут не быть таковыми для движущегося. Поэтому два разных наблюдателя, которые измеряют длину одного и того же тела, могут получить разные результаты.

В дальнейшем Эйнштейн своим новым представлениям придал математическую форму. Новая теория получила название специальной теории относительности (СТО). Она еще называется иначе релятивистской теорией[11]. Она отличается от классической механики тем, что наблюдатель и средства наблюдения органически входят в описание физических явлений.

Теория относительности явилась революцией в физике. Неклассические физические теории стали описывать не процессы сами по себе, а результат взаимодействия физического процесса и средств исследования. Таким образом, в специальной теории относительности впервые в истории физики проявилось диалектическое взаимодействие субъекта и объекта познания, субъект познания обрел активность.

В основе специальной теории относительности лежат два принципа: принцип относительности Эйнштейна и принцип постоянства скорости света.

Принцип относительности Галилея утверждает, что между покоем и равномерным прямолинейным движением нет принципиального различия. Эйнштейн пришел к выводу, что этот принцип можно расширить на электромагнитные и другие физические явления.

1. Принцип относительности Эйнштейна. Все физические явления при одних и тех же условиях во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Это означает, что находясь внутри замкнутой инерциальной системы отсчета, никакими физическими опытами невозможно определить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Все инерциальные системы отсчета равноправны. Эту мысль можно выразить иначе: физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальных систем отсчета. Можно привести еще одну формулировку: уравнения, описывающие какой-либо процесс, с точки зрения разных инерциальных систем отсчета, будут иметь одинаковую форму.

2. Принцип постоянства скорости света. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости движения источника света.

Этот принцип Эйнштейн сформулировал на основе опыта Майкельсона. В 1881 году американский физик Альберт Майкельсон (1852 – 1931) поставил эксперимент, в котором он измерял скорость света в различных направлениях относительно Земли. В последующие десятилетия своей жизни он его неоднократно повторял, увеличивая точность и надежность результатов.

Совместное действие обоих принципов специальной теории относительности кажется невозможным. Чтобы избежать этого парадокса, Эйнштейн пересмотрел представления об одновременности двух событий.

Чтобы решить эту проблему, нужно, чтобы в двух точках пространства, где происходят исследуемые события, находились синхронно идущие часы. Их удобнее всего синхронизировать, если воспользоваться световыми сигналами. Сигналы должны направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если и те, и другие часы покажут одинаковое время, значит, события в обеих точках пространства протекают одинаково. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не было. Однако его скорость конечна, и поэтому показания часов будут разными. Следовательно, события, которые для одного наблюдателя кажутся одновременными, другой увидит происходящими в разное время. Таким образом, понятие одновременности двух событий относительно.

Для того чтобы прояснить эти рассуждения, представим себе поезд, который движется прямолинейно и равномерно относительно Земли со скоростью V. Причем, скорость его сравнима со скоростью света, а размеры могут быть весьма внушительны. Такая воображаемая модель называется поездом Эйнштейна. Отметим на Земле точки А, В и М, и, соответственно, в вагоне точки А', В' и М'. И пусть АМ = ВМ, А'М' = В' М'. Пусть в тот момент, когда соответствующие точки совпадут, ударят две молнии. Наблюдатель, находящийся на Земле в точке М, увидит, что эти два события – удары молний – произошли одновременно, поскольку свет от молний проходит одинаковое расстояние с одинаковой скоростью. Однако наблюдатель, находящийся в вагоне в точке М', увидит, что свет из точки В' придет раньше, чем из точки А'. Действительно, согласно принципу постоянства скорости света, скорости лучей света, идущих из обеих точек, будут одинаковы. Однако к одному лучу наблюдатель приближается, а от другого отдаляется, и лучи света должны пройти разное расстояние, чтобы достичь наблюдателя. Таким образом, понятие одновременности двух событий имеет относительный смысл. Иными словами, в одной системе отчета (на Земле) два события (удары молний) будут казаться одновременными, а в другой системе отсчета (в вагоне) одно будет казаться происшедшим раньше другого.

Рисунок, иллюстрирующий относительность одновременности

В тот момент, когда все точки совпадают, ударяют две молнии. Наблюдатель, находящийся на платформе в точке М, увидит, что эти два события произошли одновременно. Наблюдатель, который едет в поезде, в точке М' сначала увидит одну вспышку, а затем ‒ другую. Для него эти же события покажутся неодновременными[12].

В классической механике скорость и траектория тел зависят от выбора системы отсчета. Однако линейные размеры тел, их масса и время течения всех процессов одинаковы.