Специальная теория относительности А. Эйнштейна

Развитие физики XIX века, казалось бы, не предвеща­ло каких-либо резких поворотов, хотя по многим вопро­сам ученые не были столь уж единодушны. Это касается и той критики, которой были подвергнуты понятия и прин­ципы ньютоновской механики со стороны многих ученых, особенно со стороны Эрнеста Маха и Анри Пуанкаре; и споры между сторонниками атомистической теории строе­ния вещества и их оппонентами; тревогу вызывало проти­воречие между результатами опытов Майкельсона и Физо и явлением аберрации света; до конца не была понята природа теплового излучения. Здесь имело место резкое расхождение экспериментальных данных с теоретически­ми, результаты которых базировались на представлениях классической электродинамики Максвелла и классиче­ской термодинамики. Но в целом положение дел казалось очень хорошим. Это настроение ученых-физиков на рубе­же XIX-XX веков как нельзя лучше выразил Дж. Томсон, высказавший мнение о том, что здание физики практиче­ски построено, не хватает лишь нескольких деталей: на ясном небосклоне имеются только два облачка. По проше­ствии века мы с уверенностью можем констатировать, что из этих, на первый взгляд, довольно-таки безобидных об­лачков не только выросла вся современная физика: первое облачко дало впоследствии жизнь теории относительнос­ти, а второе облачко — квантовой механике, но и постав­ленные этими теориями проблемы еще далеки от заверше­ния. Так что работы хватит и на следующие столетия.

Первое омрачающее общую умиротворяющую картину облачко Томсон связывал с отрицательным результатом опыта Майкельсона. Кроме этого, однако, существовало еще одно чрезвычайно смущающее физиков обстоятельство: оказалось, что уравнения Максвелла, описывающие элект­ромагнитное поле, оказываются неинвариантными при пе-

реходе из одной инерциальной системы в другую относи­тельно преобразований Галилея. Следует сказать, что имен­но эта неинвариантность и побудила новый всплеск кон­цепций с принятием эфира, и в конечном счете — опыт Майкельсона. Несмотря на то, что сам Максвелл призна­вал существование эфира, электромагнитная теория Макс­велла не требует существования эфира как такового. Элек­тромагнитные колебания полностью описываются с помо­щью силовых характеристик электрического и магнитного полей. Тем самым, теория Максвелла вводит в рассмотре­ние понятие поля как исходного понятия в физике, наря­ду с веществом, и ослабляет значение эфира в теории. Од­нако тот факт, что уравнения Максвелла не удовлетворя­ли принципу относительности, вновь вызвал к жизни концепцию эфира как некоторой среды такой, что уравне­ния Максвелла справедливы только в одной, связанной с этой средой системе отсчета. Различный спектр мнений и предложений, возникших в связи с вышеуказанной колли­зией «неподчинения уравнений Максвелла механическо­му принципу относительности», можно выразить тремя ос­новными точками зрения. Согласно первой точке зрения, следует отказаться от уравнений Максвелла или внести в них необходимые поправки, лишь бы сделать их инвари­антными относительно галилеевых преобразований. Однако уравнения Максвелла демонстрировали высочайшую сте­пень совпадения теории с экспериментом, а все вносимые поправки оказывались неподтверждаемыми. Вторая точка зрения отстаивалась А. Пуанкаре и Г. Герцем, считавши­ми принцип относительности обязательным для описания не только механических явлений, но и электромагнитных. В 1890 году Герц принимает гипотезу, высказанную ранее Стоксом, о существовании эфира, полностью увлекающегося движущимися телами. Исходя из этих принципов, он на­ходит уравнения, инвариантные по отношению к галиле-евым преобразованиям координат и времени при пере­ходе от одной инерциальной системы отсчета в другую. В час-тном случае покоящегося тела эти уравнения пере­ходят в уравнения Максвелла. Герц получил «наиболее очевидное обобщение теории Максвелла на случай движу­щихся тел, но оно оказалось несовместимым с результа­том эксперимента», ибо противоречило эксперименту Физо по распространению света в движущейся жидкости.

И, наконец, третья точка зрения, отстаиваемая Лорен­цем. Известно, что Лоренц являлся сторонником атомной теории строения вещества, а после открытия в 1897 году Томсоном отрицательно заряженной частицы — электро­на, он создал теорию, в которой уравнения Максвелла включают в себя идею о дискретной структуре электриче­ства. При этом Лоренц использует гипотезу эфира, рас­сматривая электромагнитное поле как свойство эфира, про­тивопоставляя его состоящему из электрически заряжен­ных частиц веществу. Лоренцу удалось всю электродина­мику покоящихся и движущихся тел свести к уравнени­ям Максвелла, дать на этой основе объяснение большому числу экспериментальных фактов. Но при этом он вводит абсолютно покоящуюся выделенную среди прочих систему отсчета, связанную с неподвижным эфиром, в которой толь­ко и выполняются уравнения Максвелла. Таким образом, точка зрения, отстаиваемая Лоренцем, говорила о несостоя­тельности самого принципа относительности. На место аб­солютного пустого неподвижного ньютоновского простран­ства он ставит абсолютное тело отсчета — неподвижный эфир, то есть вводит привилегированную систему отсчета. Однако все имеющиеся опытные данные говорили в пользу принципа относительности, в том числе и опыт Майкель-сона свидетельствовал в пользу эквивалентности всех инер-циальных систем отсчета, кроме этого он устанавливал факт постоянства скорости света в любой системе отсчета. А. Эйнштейн писал, что «специальная теория относитель­ности обязана своим происхождением этой трудности, ко­торая, ввиду ее фундаментального характера, казалась нетерпимой». Следует сказать, что Лоренц (и ряд других физиков, среди которых Лармор, Фицджеральд и др.) пред­принимал многочисленные попытки, пытаясь согласовать отрицательный результат опыта Майкельсона с идеей аб­солютной системы отсчета. В том числе была выдвинута гипотеза о сокращении линейных размеров тел в направ­лении их движения относительно эфира. При этом Лоренц и Фицджеральд считали, что тела действительно сокраща­ют свои размеры в направлении движения. Это сокраще­ние должно было полностью компенсировать влияние от­носительного движения на скорость распространения све­та, почему и казалось, что скорость света остается по-

стоянной во всех инерциальных системах отсчета. Несмот­ря на то, что высказанная гипотеза выглядела очень искус­ственной и оказалась неверной, как это выяснилось впос­ледствии, она привела к нахождению уравнений преобра­зований кинематических параметров, отличных от преоб­разований Галилея, которые называют уравнениями Лорен­ца. При условии, что относительная скорость систем отсче­та V велика и сравнима со скоростью света име­ем следующее:

Очевидно, что преобразования Лоренца содержат не­мыслимые, с точки зрения обыденных представлений, пара­доксы: кроме вышеупомянутого сокращения линейных раз­меров тел, движущихся вместе с системой отсчета К' отно­сительно неподвижной системы К

оказалось, что и длительность событий в этих системах отсчета разная. Если длительность временного интервала в системе а в системе то

Длительность — длительность события относитель­но движущейся системы К', относительно которой тело покоится. Длительность события в системе отсчета, отно­сительно которой тело неподвижно, называется собствен­ным временем. Собственное время минимально. Это говорит о том, что относительно системы К интервал вре­мени оказывается большим. С этим связан парадокс близнецов, получивший большую популярность и широкое освещение в литературе. Итак, из преобразований Лорен­ца следовало, что пространственные и временные интервалы оказываются неинвариантными при переходе из одной сис­темы отсчета в другую. Возникла ситуация, в которой по­требовались глубокий анализ и критика имеющихся пред­ставлений о пространстве и времени, на основании которых удалось бы выяснить причины, по которым преобразова­ния Галилея заменяются преобразованиями Лоренца. Это и было сделано А. Эйнштейном в его вышедшей в свет в 1905 году работе «К электродинамике движущихся сред». Свою статью Эйнштейн начинает с двух предположений, которые в современной науке именуются постулатами те­ории относительности, которые он рассматривает как пред­посылки для того, чтобы, «положив в основу теорию Мак­свелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся сред».