Создание теории относительности¶
Теория относительности — физическая теория, описывающая закономерности движения тел и изменения пространства-времени при скоростях, близких к скорости света, а также в гравитационных полях. Её создание связано прежде всего с именем Альберта Эйнштейна, опубликовавшего в 1905 году специальную теорию относительности (СТО) и в 1915-м — общую теорию относительности (ОТО). Однако в её разработке участвовали и другие учёные, чьи работы составили теоретическую основу.
¶Предпосылки
К началу XX века классическая механика Ньютона описывала движение тел с высокой точностью, но сталкивалась с трудностями в области электродинамики. Уравнения Максвелла показывали, что скорость света в вакууме — постоянная величина, не зависящая от движения источника или наблюдателя. Это противоречило принципам релятивистской механики Галилея и Ньютона, где скорости складывались по правилу сложения.
Эксперимент Майкельсона — Морли (1887) показал отсутствие эффекта движения Земли относительно эфира — гипотетической среды, в которой, как предполагалось, распространяется свет. Результаты опыта не укладывались в рамки классической физики.
Для объяснения противоречий были предложены гипотезы: Лоренц и Фицджеральд предположили, что тела при движении сжимаются вдоль направления движения (преобразования Лоренца), а Пуанкаре развил идею относительности движения, показав, что законы физики одинаковы для всех инерциальных наблюдателей. Эти работы подготовили почву для создания СТО.
¶Специальная теория относительности
В июне 1905 года Альберт Эйнштейн (1879—1955), работавший в то время экспертом в Бернском патентном бюро, опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел». В ней он сформулировал СТО, основанную на двух постулатах:
- Принцип относительности: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
- Постоянство скорости света: скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей и не зависит от движения источника.
Из этих постулатов следуют преобразования Лоренца, которые Эйнштейн получил как логическое следствие, не привлекая гипотезу об эфире. Среди ключевых выводов СТО — замедление времени, продольное сжатие тел и эквивалентность массы и энергии (E = mc²), сформулированная в статье «Зависимость инертной массы от энергии» (1905).
Вклад других учёных в развитие СТО:
- Хенрик Лоренц — преобразования координат, названные его именем.
- Анри Пуанкаре — принцип относительности, идеи симметрии законов физики.
- Герман Минковский — в 1908 году предложил четырёхмерное геометрическое представление пространства-времени, ставшее основой релятивистской кинематики.
¶Общая теория относительности
Специальная теория описывала только инерциальные системы отсчёта. Для описания гравитации Эйнштейн разработал общую теорию относительности, опубликованную в ноябре 1915 года в серии докладов Прусской академии наук.
Основная идея ОТО — принцип эквивалентности: гравитационное поле локально неотличимо от ускоренной системы отсчёта. Масса и энергия искривляют пространство-время, а тела движутся по геодезическим линиям в искривлённом пространстве.
В создании ОТО участвовали и другие физики:
- Марсель Гроссманн — математик, познакомивший Эйнштейна с тензорным анализом и римановой геометрией, соавтор первой публикации ОТО (1913).
- Давид Гильберт — независимо получил уравнения поля ОТО и опубликовал их почти одновременно с Эйнштейном в декабре 1915 года.
Ключевые предсказания ОТО — отклонение света в гравитационном поле, гравитационное замедление времени и прецессия перигелия Меркурия. Эффект отклонения света был подтверждён экспедицией Артура Эддингтона во время солнечного затмения 1919 года, что принесло Эйнштейну мировую известность.
¶Признание и значение
Специальная теория относительности быстро вошла в физику, хотя первоначально вызывала споры. Общая теория относительности получила широкое признание после подтверждения предсказаний в 1919 году и позднее — при открытии гравитационных волн (2015, детектор LIGO) и изображения тени чёрной дыры (2019, телескоп «Горизонт событий»).
Вклад Эйнштейна в создание теории относительности признан одним из величайших достижений физики XX века. В 1921 году он получил Нобелевскую премию по физике — за объяснение фотоэффекта, а не за теорию относительности, которая на тот момент ещё не имела достаточного экспирементального подтверждения.
¶Источники
- Эйнштейн А. К электродинамике движущихся тел // Annalen der Physik. — 1905.
- Эйнштейн А. Общая теория относительности // Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften. — 1915.
- Минковский Г. Пространство и время // Physikalische Zeitschrift. — 1908.
- Иванов А. Б. История теории относительности. — М.: Наука, 1983.
- Пайс А. Тишина, которую слушает Эйнштейн. — М.: Мир, 1985.