Алюбер Эйнштейн и специальная теория относительности

     В ходе разработки своей теории Эйнштейну  пришлось пересмотреть прежние представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютоновского понятия абсолютного пространства и времени, а также от определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

     Каждое  движение тела происходит относительно определенного тела отсчета, и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

     Отсюда  становится также ясным, что для  Эйнштейна основные физические понятия, такие, как пространство и время, приобретают ясный смысл только после указания тех экспериментальных  процедур, с помощью которых можно их проверить.

     Другой  важный результат теории относительности:

     Связь обособленных в классической механике понятий пространства и времени  в единое понятие пространственно-временной  непрерывности (континуума).

     Необычные результаты, которые дает теория относительности, сразу же поставили вопрос об их опытной проверке. Наиболее выдающимся подтверждением этой теории был отрицательный результат опыта американского физика Альберта Майкельсона (1852—1931), предпринятый для проверки гипотезы о световом эфире. Согласно господствовавшим в то время воззрениям, все мировое пространство заполнено эфиром — гипотетическим веществом, являющимся источником световых волн. Вначале эфир уподоблялся упругой механической среде, а световые волны рассматривались как результат колебаний этой среды, то есть, как волны, сходные с появляющимися на поверхности жидкости, вызванные колебаниями частиц жидкости. Но эта механическая модель эфира в дальнейшем встретилась с серьезными трудностями, так как, будучи твердой упругой средой, эфир должен был оказывать сопротивление движению небесных тел, но ничего этого в действительности не наблюдалось. В связи с этим пришлось отказаться от механической модели, но существование эфира как особой всепроницающей среды по-прежнему признавалось.

     Для того чтобы обнаружить движение Земли  относительно неподвижного эфира, Майкельсон решил измерить время прохождения  светового луча по горизонтальному  направлению движения Земли и  направлению, перпендикулярному к  этому движению. Если существует эфир, то время прохождения светового луча по горизонтальному и перпендикулярному направлениям должно быть неодинаковым; но никакой разницы Майкельсон не обнаружил. Тогда для спасения гипотезы об эфире Лоренц предположил, что в горизонтальном направлении происходит сокращение тела в направлении движения.

     Полностью отрицательный результат опыта  Майкельсона стал для Эйнштейна 18 лет позже решающим экспериментом  для доказательства того, что никакого эфира как абсолютной системы  отсчета не существует. 

     3. Общая теория относительности а. Эйнштейна 

     В специальной теории относительности  все системы отсчета предполагаются инерциальными, то есть покоящимися  или движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно? По своему опыту мы знаем, что в равномерно движущемся вагоне нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижно стоящий рядом поезд. Это впечатление сразу же исчезнет, как только наш вагон сильно затормозит, и мы ощутим толчок вперед. Если принять теперь за систему отсчета замедленно или ускоренно движущийся вагон, то такая система будет неинерциальной.

     Создание  современной теории тяготения было немыслимым без специальной теории относительности, без глубокого  понимания структуры классической электродинамики, без осознания единства пространства-времени. Как уже отмечалось, ОТО была создана в основном усилиями одного человека. Путь Эйнштейна к построению этой теории был долгим и мучительным. Если его работа 1905 года «К электродинамике движущихся сред» появилась как бы сразу в законченном виде, оставляя вне поля зрения читателя длительные размышления, тяжелый труд автора, то с ОТО дело обстояло совершенно иначе. Эйнштейн начал работать над ней с 1907 года. Его путь к ОТО продолжался несколько лет. Это был путь проб и ошибок, который хотя бы отчасти можно проследить по публикациям Эйнштейна в эти годы.

     В последнем этапе создания ОТО  принял участие Гильберт. Вообще значение математики (и математиков) для ОТО  очень велико. Ее аппарат, тензорный  анализ, или абсолютное дифференциальное исчисление, был развит Риччи и Леви-Чивита. Друг Эйнштейна, математик Гроссман познакомил его с этой техникой.

     И все же ОТО — это физическая теория, в основе которой лежит  ясный физический принцип, твердо установленный экспериментальный факт. Факт этот по существу был установлен еще Галилеем. В системе отсчёта, свободно движущейся в гравитационном поле, в малой области пространства-времени гравитации нет. Последнее утверждение — это одна из формулировок принципа эквивалентности.

     Эйнштейн  так формулирует суть своей общей  теории относительности:

     Все тела отсчета равноценны для описания природы (формулировки общих законов  природы), в каком бы состоянии  движения они не находились.

     Теперь  мы в состоянии по-иному взглянуть  на инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Различие между ними выражается, прежде всего, в том, что если в инерциальных системах все процессы и описывающие их законы являются одинаковыми по своей форме, то в неинерциальных системах они происходят по-другому.

     Эйнштейн, опираясь на результаты электродинамики, в которой вводятся представления  о полях действия электромагнитных сил, стал рассматривать тяжесть  как силу, действующую в определенном поле тяготения. С этой точки зрения, камень падает на Землю потому, что на него действует поле тяготения Земли.

     Равенство инертной массы тяжелой массе  — один из важных результатов общей  теории относительности. Она считает  равноценными все системы отсчетов, или координат, а не только инерциальные системы.

     Очевидно, что по отношению к неинерциальной системе отсчета движение тела описывается иначе, в чем мы можем убедиться, если сидим в вагоне поезда, который начинает тормозить. В этом случае мы почувствуем толчок вперед, означающий, что в движении возникает торможение, или ускорение с отрицательным знаком. Там же, где появляется ускорение, возникает и соответствующее ему поле тяготения. В отличие от других полей, например электромагнитных, поле тяготения обладает одним замечательным свойством: все находящиеся в нем тела испытывают ускорение, не зависящее ни от материала, ни от их физического состояния. Поэтому кусок свинца и равный ему по массе кусок дерева ведут себя в таком поле совершенно одинаково: они падают на Землю вблизи ее поверхности с тем же самым ускорением, равным 9,81 м/с². 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение 

     Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что теория относительности, разработанная  А. Эйнштейном является неотъемлемой частью исследований, проводимых современными учеными. Результаты исследования можно свести к следующим выводам.

     1. Теория относительности была  первой физической теорией, которая  радикально изменила взгляды  ученых на пространство, время  и движение. Если раньше пространство  и время рассматривались обособленно  от движения материальных тел,  а само движение — независимо от систем отсчета (то есть считалось движением абсолютным), то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено.

     2. Всякое движение может описываться  только по отношению к другим  телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат.

     3. С философской точки зрения наиболее значительным результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Именно благодаря воздействию тел с большими массами происходит искривление путей движения световых лучей. Следовательно гравитационное поле, создаваемое такими телами, определяет в конечном итоге пространственно-временные свойства мира.

     В настоящее время общая теория относительности — бурно развивающаяся  область современной физики. Это  результат огромного прогресса  наблюдательной астрономии, развития экспериментальной техники, впечатляющего  продвижения в теории.