Специальная теория относительности (СТО)

Создателями СТО являются: Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн. Представления СТО справедливы только для процессов, происходящих в инерциальных системах отсчета.

Принципу относительности Эйнштейна предшествовал принцип относительности Галилея, сформулированный только для механических процессов (т.е. только для классической механики — механики Ньютона).

Принцип относительности Галилея представим в двух эквивалентных формах:

• — внутри равномерно движущейся лаборатории (системы отсчета) все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся
• — равномерное движение лаборатории (системы отсчета, связанной с телом отсчета — лабораторией) невозможно обнаружить никакими механическими опытами, проводимыми внутри нее

Поясним это принцип на следующем примере: если пассажир (наблюдатель) электрички (движущейся равномерно) уронил некий предмет (например, часы), то для него они упадут вертикально вниз, а для человека (наблюдателя), стоящего на земле, предмет будет падать по параболе, поскольку электричка движется, в то время как предмет падает. У каждого из наблюдателей своя система отсчета. Но, хотя описания событий, при переходе из одной системы отсчета в другую, меняются, есть универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения предмета задаться вопросом о природе закона, вызывающим его падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, то законы механики (в дальнейшем Пуанкаре и Эйнштейн обобщили это на все физические законы) от него не зависят, т. е. являются инвариантными.

Принцип относительности (как в классической механике, так и в СТО) тесно связан с привилегированными системами отсчета, так называемыми инерциальными системами отсчета.

Инерциальными называются системы отсчета, относительно которых материальная точка (тело) без внешних воздействий (или если внешние воздействия компенсируются):

• — покоится
• — движется равномерно и прямолинейно

Всякая система отсчета, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета, также является инерциальной (т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны) Исходные принципы классической механики базируются на формулах преобразования координат и времени так называемым преобразованием Галилея. Пользуясь этими преобразованиями, можно переводить рассмотрение движения какого-либо тела (частицы) из одной инерциальной системы отсчета в другую как, например, рассмотренный ранее пример с падением предмета в электричке.

Все законы классической механики инвариантны относительно перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую, проводимого с помощью преобразований Галилея. Преобразования Галилея базируются на одинаковости (инвариантности) времени в различных инерциальных системах отсчета и классическом законе сложения скоростей.

Из преобразований Галилея (т.е. из классической механики) следует, что при переходе от одной системы отсчета к другой, неизменными (инвариантными) остаются:

• — время
• — размеры тела
• — масса тела

Перейдем к специальной теории относительности. Основу СТО составляют два постулата (принципа) Эйнштейна:

Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна, являющийся обобщением принципа Галилея на все физические процессы): все физические процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Сформулируем этот принцип и в другом эквивалентном виде: законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип инвариантности (постоянства) скорости света (второй постулат Эйнштейна): скорость света в вакууме постоянна во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Постулат о постоянстве скорости света вызывает наибольшее непонимание, т.к. он находится в очевидном противоречии с классическим правилом сложения скоростей. То, что скорость света имеет такое необычное свойство, можно почувствовать при рассмотрении следующего мысленного эксперимента: пусть космонавт находится в космическом корабле, корабль удаляется от Земли с постоянной скоростью 200 000 км/с, а наблюдатель на Земле направляет пучок света, распространяющийся со скоростью 300 000 км/с, в сторону космического корабля. Свет, догоняя космический корабль, через маленькие дырочки проходит сквозь этот корабль и уходит далее в космос. Поскольку космонавт (вместе с кораблем) движется со скоростью 200 000 км/с относительно Земли, то ему, на основании классического закона сложения скоростей должно было казаться, что относительно него свет распространяется со скоростью 300 000 км/с — 200 000 км/с = 100 000 км/с. Но как следует из принципа постоянства скорости света, если действительно поставить такой эксперимент, то космонавту (т.е. наблюдатель в движущейся инерциальной системе отсчета) будет казаться, что свет распространяется, относительно него, со скоростью 300 000 км/с. На основании этого же принципа и наблюдатель на Земле тоже будет считать, что свет распространяется относительно него тоже со скоростью 300 000 км/с.

Эйнштейн понял, что единственное объяснение, позволяющее двум, движущимся относительно друг друга, наблюдателям получить одинаковые значения скорости света, заключается в том, что их восприятие времени и пространства неодинаково, что часы космического корабля идут не так, как на земле, одинаковые линейки у обоих наблюдателей имеют разные размеры и т. д. Т. е., на основании СТО, скорость света в космическом корабле равна 300 000 космических километров в космическую секунду, а на Земле — 300 000 земных километров в земную секунду. Вышеприведенный пример наглядно показывает, что если скорости других объектов относительны, так как зависят от скорости движения измеряющего наблюдателя, то скорость света не относительна — она абсолютна. Этот же пример показывает относительность времени и пространства. Скорость света соответствует максимально возможной в природе скорости передачи сигнала.

Принцип постоянства скорости света был впервые подтвержден в опытах Майкельсона-Морли. Сами авторы этим опытом пытались подтвердить или опровергнуть существование мирового эфира. Мировой эфир представлялся как механическая среда, (невидимая невесомая субстанция) передающая «толчок» действия от одной точки к другой, т. е. передающая волновой процесс распространения света. В экспериментах Майкельсона-Морли сравнивались скорости света при направлении луча света вдоль и поперек орбитального движения Земли. Разницы при этом обнаружено не было, что указывает на постоянство скорости света, независимо от того, в какой инерциальной системе отсчета рассматривается распространение света (для луча света, распространяющегося вдоль направления движения Земли, система отсчета подвижная, для распространяющегося поперек — неподвижная).

Из постулатов СТО следует, что пространственный интервал и временной интервал (длительность события) относительны, т. е. зависимы от движения наблюдателя. Однако объективность описания природы требует, чтобы изучаемое явление можно было характеризовать величинами, не зависящими от выбора системы отсчета. Инвариантной величиной в СТО является так называемый пространственно-временной интервал между событиями, включающий в себя временную и пространственные характеристики материальных процессов. Т. е. СТО делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга, как во времени, так и в пространстве. Т. е. пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум, или попросту пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, могут расходиться во мнении о том, произошли ли два события одновременно, или одно предшествовало другому, но пространственно-временной интервал для обоих наблюдателей будет одним и тем же.

В СТО показано, что нельзя передать воздействие (свет, информацию и т. д.) со скоростью, превышающей скорость света, а это делает невозможным нарушение причинно-следственных связей (т.к. именно передача воздействия со сверхсветовой скоростью привела бы к нарушению причинно-следственных связей). Ненарушимость причинно-следственных связей можно назвать инвариантностью причинно-следственных связей.

Из СТО следует и закон взаимосвязи энергии и массы: между полной энергией, изолированного от внешних воздействий, тела и его массой есть однозначная связь:

.

этот закон справедлив и для покоящегося тела:

.

показывая, что даже покоящиеся тела имеют очень большую энергию, включающую энергию взаимодействий и теплового движения атомов и молекул, энергию ядерного взаимодействия и др. энергии. Этот закон показывает: какие бы взаимные превращения разных видов материи не происходили, изменение энергии в системе соответствует эквивалентному изменению массы. Т. е. энергия и масса являются двумя, однозначно связанными, характеристиками материи. Этот закон раскрывает источник энергии, используемой ядерной энергетикой. Масса продуктов радиоактивного распада, протекающего в ядерном реакторе, меньше массы исходного вещества. Разность масс исходной и конечной (называемой дефектом массы), помноженная на квадрат скорости света (), показывает энергию, производящуюся в ядерных реакторах.

Переход из одной инерциальной системы отсчета в другую, в СТО, осуществляется при помощи преобразований Лоренца.

Из преобразований Лоренца (т.е. из СТО) следует, что при увеличении скорости подвижной инерциальной системы отсчета относительно неподвижной:

• — длина отрезка в направлении движения уменьшается относительно отрезка в неподвижной системе
• — ход времени в подвижной системе, относительно времени в неподвижной системе отсчета, замедляется

Приведенные выше следствия объясняют, рассмотренный нами ранее, мысленный эксперимент: космонавт, определяя скорость света, делит свои маленькие километры на маленькие секунды и получает тот же результат, что и земной наблюдатель, который делит большие километры на большие секунды.

Следствиями СТО является относительный характер:

• — расстояний (длины отрезка), т. е. пространства
• — одновременности событий, т. е. времени
• — массы тела

Следствиями СТО являются:

• — пространство и время существуют как единая четырехмерная структура пространство-время и описывается евклидовой геометрией
• — эквивалентность массы и энергии
• — с увеличением скорости движения тела отсчета темп времени на нем замедляется
• — с увеличением скорости движения тела его линейный размер уменьшается
• — с увеличением скорости движения тела его масса возрастает
• — когда скорость тела приближается к скорости света, его линейный размер стремится к нулю, а масса тела стремится к бесконечно большой
• — инвариантность (неизменность) пространственно-временного интервала между событиями
• — инвариантность причинно-следственных связей

Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньших скорости света).

Приложение СТО к описанию механических процессов, в которых скорости тел сопоставимы со скоростью света, называется релятивистской механикой.