Текст:Николай Кириленко:Концепция теории относительности

Теория относительности – теория, описывающая универсальные пространственно-временные свойства физических процессов.

Введение[править | править код]

До середины XIX века классическая физика объясняла многочисленные явления, но появляется ряд явлений, которые существовавший уровень развития физики уже не мог объяснить, в результате чего возник кризис классической физики. Важнейшую роль в этом сыграли световые явления.

Основные положения заключаются в следующем:

1. Проведенный в 1851 году опыт Физо показал, что если изменять относительно наблюдателя скорость движения среды, в которой идёт луч света, то скорость этого луча относительно наблюдателя не соответствует правилу сложения скоростей, и для среды с показателем преломления, равным единице (для воздуха), эта скорость не складывается со скоростью среды. Поэтому принимается гипотеза неподвижного мирового эфира, через который движутся все тела Вселенной.

2. Майкельсон проводит опыт по проверке движения Земли через эфир, который показывает несостоятельность гипотезы неподвижного мирового эфира. Для спасения этой гипотезы Лоренц одновременно с Фицджеральдом предлагает гипотезу о сокращении размеров тела в направлении движения. Считается, что в опыте Майкельсона действительно происходит «лоренцово» сокращение тел, что, якобы, является экспериментальным подтверждением преобразований Лоренца, из которых математически следует это сокращение.

3. Анализируя результаты опытов Физо и Майкельсона, а также весь ход истории развития физики, Эйнштейн приходит к отказу от эфира, так как «мы не можем дать механического объяснения эфира» – заключает он.

4. Причину кризиса классической физики Эйнштейн видит в ошибочном представлении о том, что все явления в природе можно объяснять с механической точки зрения. Он задумывает теорию, которая бы исправила основы классической физики и послужила бы надёжной основой для дальнейшего развития теоретической физики.

Концепция специальной теории относительности[править | править код]

Основные положения специальной теории относительности (СТО):

1. В результате анализа результатов опыта Майкельсона Эйнштейн ставит свет в особое положение и формулирует следующий закон постоянства скорости света: «... закон постоянства скорости света в пустоте должен одновременно выполняться для движущихся относительно друг друга наблюдателей таким образом, что один и тот же луч света имеет одну и ту же скорость относительно всех этих наблюдателей». Этим законом Эйнштейн дополняет существовавший принцип постоянства скорости света, утверждающий, что скорость света в среде (эфире) не зависит от скорости движения источника света относительно этой среды.

2. Выдвинутый закон постоянства скорости света Эйнштейн распространяет на принцип относительности, считая, что в любых инерциальных системах отсчёта должны не изменяться все известные законы. Таков принцип относительности Эйнштейна, и наряду с законом постоянства скорости света он является важнейшей основой СТО.

3. Понимая несовместимость закона постоянства скорости света с принципом относительности Галилея, Эйнштейн упорно ищет выход из создавшегося положения и приходит к мысли, что их можно совместить ценой пересмотра важнейших положений классической физики – абсолютности пространства и времени. Он вводит понятие относительности пространства и времени (зависимости характера времени и пространства от скорости движения систем и тел).

4. При разработке СТО Эйнштейн отказался от трёх основных положений теории Ньютона:

- представления об абсолютном пространстве и времени;

- закона сложения скоростей;

- закона сохранения массы (заменив его обобщенным законом сохранения массы – энергии).

5. Никакое материальное тело ни в одной системе отсчёта не может иметь скорости, равной или большей скорости света; никакой сигнал не может быть передан со скоростью, превышающей скорость света.

6. Последовательность событий во времени с точки зрения двух наблюдателей зависит от их относительного движения. Однако никакой наблюдатель, как бы он ни двигался, не может зарегистрировать следствие раньше причины.

7. Измерение длины предмета наблюдателем, движущимся относительно него, даёт меньшее значение, чем измерение той же длины наблюдателем, неподвижным относительно предмета (сокращение длины). При этом сокращение испытывает только размер предмета вдоль направления относительного движения; поперечные размеры остаются неизменными.

8. Наблюдатель, движущийся относительно часов, установит, что они идут медленнее точно таких же часов, находящихся в покое в его системе отсчета (замедление течения времени).

9. Тело, движущееся относительно наблюдателя, имеет массу большую, чем такое же тело, покоящееся относительно наблюдателя.

10. Полная энергия тела равна произведению массы на квадрат скорости.

Концепция общей теории относительности[править | править код]

Основные положения общей теории относительности (ОТО):

1. Получив в СТО результаты для движущихся систем отсчёта, Эйнштейн задумывает разработку теории гравитации, для чего он выдвигает принцип эквивалентности, утверждающий неизменность всех законов природы при замене системы отсчёта, обладающей гравитацией, на систему отсчёта без гравитации, но движущейся с отрицательным ускорением; т.е. принцип эквивалентности утверждает, что эффекты гравитации и ускорения нельзя отличить друг от друга. Этот принцип явился основой для разработки обшей теории относительности.

2. Важным следствием ОТО является зависимость хода времени от величины гравитационного потенциала (замедление хода часов в гравитационном поле). На основании этого Эйнштейн обосновывает эффект краевого смещения, согласно которому частота света смещается в сторону красного конца спектра при попадании луча света в область с меньшим гравитационным потенциалом.

3. Согласно ОТО скорость света в пустоте увеличивается при попадании луча света в область с большим гравитационным потенциалом, что является нарушением разработанного в СТО закона постоянства скорости света, на основании которого получены преобразования Лоренца. Эйнштейн поясняет, что закон постоянства скорости света справедлив для области с постоянным гравитационным потенциалом.

4. Экспериментально подтверждены такие явления как смещение перигелия Меркурия, красное смещение, искривление луча Солнцем.