Наталья Сердцева: Теория относительности Эйнштейна за 1 час

Менее знаменитая, но тоже очень важная для физики статья называлась «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» В ней ученый рассматривал те положения, которые впоследствии привели его к формуле Е = тс 2.

Саму формулу он тогда еще не вывел, но подробно описал теоретические выкладки. Суть их заключалась в следующем: чем быстрее движется какой-либо объект, тем сильнее увеличивается его масса и тем больше нужно энергии, чтобы приводить его в движение. В одном из писем он рассуждал по этому поводу так: «Из принципа относительности следует, что масса должна быть непосредственной мерой энергии, содержащейся в теле; свет переносит массу. У радия при его распаде должно происходить заметное убывание массы. Это соображение радует и подкупает. Однако не смеется ли по этому поводу и не водит ли меня за нос Господь – этого я не знаю». Тогда у него еще были сомнения в своей правоте, они рассеются позже, после рождения общей теории относительности.

Для того чтобы вывести самую известную формулу всех времен, Эйнштейн смоделировал ситуацию, в которой присутствует тело, распространяющее электромагнитное излучение, и две системы отсчета для его описания. Первая система отсчета покоится, вторая движется относительно тела с постоянной скоростью. Совершив математические расчеты, Эйнштейн обнаружил: испуская излучение, тело теряет не только энергию, но и массу. Таким образом, эти две величины взаимосвязаны, масса переходит непосредственно в энергию. На этой стадии ученый делает вывод, что масса тела – это мера энергии, которая в нем содержится. Если меняется количество энергии, то и масса меняется на соответствующую величину. Это и выражено формулой Е = тс 2.

Нужно отметить, что в момент выхода в свет революционных работ, совершивших переворот в физике, Эйнштейн не только не был признанным ученым, к нему вообще относились настороженно в научных кругах. Хотя у него были друзья и единомышленники, знавшие о темах его работы, большая часть научного сообщества не ожидала от него мало-мальски толковых трудов. Он был на периферии науки и вот оказался в самом ее центре, там, где кипели страсти и дискуссии.

О принципе относительности говорил еще известный физик и астроном Галилео Галилей в XVI веке. В трактате «Диалог о двух главнейших системах мира» он предложил читателям такой эксперимент: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторном помещении под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте далее наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд – с узким горлышком, подставленный внизу.

Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая другу какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении.

Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, также как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой…»

В сегодняшней физике принцип относительности сформулирован так: во всех инерциальных системах отсчета (находящихся в неподвижности или движущихся равномерно и прямолинейно) механические явления происходят одинаково, по одним и тем же законам.

Чтобы понять важность такого фактора, как система отсчета, можно рассмотреть эксперимент Галилея с точки зрения геометрии. Представим, что на причале стоит наблюдатель, фиксирующий движение корабля. Ему будет соответствовать первая, неподвижная система отсчета. Второй наблюдатель и вторая система отсчета – движущаяся – находятся в трюме.