Наталья Сердцева - Теория относительности Эйнштейна за 1 час

Хендрик Лоренц вывел уравнения, позволяющие сохранять величины при переходе из одной системы отсчета в другую, еще до того, как Эйнштейн создал специальную теорию относительности. Изучая следствия второго постулата своей теории – постоянства скорости света, Эйнштейн обнаружил, что преобразования Лоренца выводятся из него даже без обращения к уравнениям Максвелла. Когда-то Лоренц обнаружил, что его преобразования имеют странные «побочные эффекты»: сокращение длины движущегося тела и замедление времени в движущемся объекте. Он считал, что на сокращение длины влияет эфир, свойства которого еще не изучены и потому непонятны, а замедление времени называл «кажущимся», считая его условным.

Мнение Эйнштейна по этому вопросу было полностью противоположным. Ученый был уверен: все эти эффекты имеют место в реальности, их восприятие зависит от системы отсчета. Ракета, пролетающая мимо нас со скоростью, близкой к скорости света, в нашей системе отсчета имела бы меньшие размеры, чем та же ракета в состоянии покоя. Для наблюдателей, смотрящих на нас из ракеты, ситуация была бы точно такой же. Так как движение относительно, то наблюдатели считали бы себя покоящимися, а нас – проносящимися мимо со скоростью, близкой к скорости света. И мы для них, так же как ракета для нас, имели бы меньшие размеры.

То, что в движущейся системе отсчета (при очень высоких скоростях) время замедляется, хорошо иллюстрирует так называемый «парадокс близнецов». Этот мысленный эксперимент выглядит так: один из близнецов остается на Земле, другой летит на далекую планету в ракете, которая развивает скорость, близкую к скорости света. Допустим, по земным меркам полет длился два года. Но для близнеца, который находился в полете, время шло гораздо медленнее, у него прошло всего несколько дней. Так что по возвращении он оказывается моложе своего брата.

Запаздывание времени в движущейся системе отсчета, также как другие следствия постулатов теории относительности, были выведены Эйнштейном математически, с использованием преобразований Лоренца. В привычном нам мире все эти теории кажутся невероятными, но они реально действуют в мире высоких скоростей и неоднократно подтверждены современной экспериментальной наукой.

Первая из статей, опубликованная Эйнштейном в «чудесном» 1905 году в немецком журнале «Анналы физики», называлась «Об одной эвристической точке зрения на происхождение и превращение света». Речь в ней шла о явлении фотоэффекта, сам автор в одном из писем другу называл ее «весьма революционной».

Предыстория вопроса началась еще в XVII веке, когда ученые впервые задумались о природе света. Английский естествоиспытатель Роберт Гук тогда выдвинул теорию, что свет, так же как звук, является волной. Его современник и коллега из Нидерландов Христиан Гюйгенс написал «Трактат о свете», где поддерживал и развивал взгляды Гука. Этот труд считается наброском первой волновой теории света.

Тем не менее в физике XVII–XVIII веков главенствовала корпускулярная теория света, согласно которой свет состоит из мельчайших частиц – корпускул. Считалось, что их излучает любое светящееся тело. Исаак Ньютон поначалу тоже склонялся к этой теории, но впоследствии увидел, что свет порождает некоторые волновые эффекты (колебания, дифракцию – огибание препятствий). Он был на пороге того, чтобы выдвинуть компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света, но не сделал этого. Изучая и описывая свойства света, Ньютон создавал математические модели различных световых явлений, но не пытался дать им физическое определение. «Учение мое о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении», – писал он.

Таким образом, до начала XX века корпускулярная теория света была в физике общепринятой. Но в 1900 году немецкий ученый Макс Планк, занимавшийся проблемой теплового излучения, сам того не подозревая, заложил основы квантовой физики. Он первым ввел понятие «квант» – небольшая неделимая частица какой-либо физической величины. Планк предположил, что энергия света выделяется не волнами, а именно квантами. Альберт Эйнштейн в своей работе 1905 года согласился с теорией кванта и развил ее. «Согласно сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во все возрастающем объеме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком», – написал он в начале статьи.