Теория относительности: история создания¶
Теория относительности — физическая теория, описывающая пространство-время, гравитацию и движение тел при скоростях, близких к скорости света, а также в сильных гравитационных полях. Теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном и состоит из двух частей: специальной (1905) и общей (1915). При этом вклад в развитие идей, лежащих в её основе, внесли и другие учёные — Генрих Лоренц, Анри Пуанкаре, Герман Минковский и др.
¶Специальная теория относительности
¶Предпосылки
К концу XIX века классическая механика Ньютона успешно описывала движение тел, но столкнулась с трудностями в области электродинамики. Опыты Майкельсона — Морли (1887) показали, что скорость света не зависит от движения наблюдателя относительно «эфира» — гипотетической среды, в которой, как предполагалось, распространяются световые волны. Это противоречило представлениям классической физики о сложении скоростей.
Для согласования электродинамики с опытом голландский физик Хендрик Лоренц предложил преобразования координат (преобразования Лоренца), описывающие переход от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Французский математик и физик Анри Пуанкаре развил идею относительности, показав, что законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах, и ввёл понятие группы преобразований Лоренца. Однако именно Эйнштейн сформулировал теорию в её законченном виде.
¶Работа Эйнштейна
В 1905 году в журнале «Annalen der Physik» была опубликована статья Альберта Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В ней он отказался от гипотезы эфира и сформулировал два постулата:
- 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 или наблюдателя.
Из этих постулатов логически следуют преобразования Лоренца, а также выводы, радикально изменившие представления о пространстве и времени: замедление времени при движении, продольное и поперечное сокращение длин, эквивалентность массы и энергии (формула E = mc²).
¶Вклад других учёных
Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре, работавшие до Эйнштейна, сформулировали математический аппарат теории — преобразования, которые носят имя Лоренца, и показали, что электромагнитные уравнения Максвелла сохраняют форму при этих преобразованиях. Пуанкаре предложил термин «принцип относительности». Однако, по общепринятой оценке, именно Эйнштейн впервые осознал физический смысл этих преобразований и построил на их основе новую теорию, устранив необходимость в эфире.
¶Общая теория относительности
¶Создание
Специальная теория относительности описывала только инерциальные системы отсчёта. Для описания гравитации Эйнштейн разработал общую теорию относительности (ОТО), опубликованную в 1915–1916 годах. Основная идея — принцип эквивалентности: гравитационное поле локально неотличим от ускоренной системы отсчёта.
Согласно ОТО, массивные тела искривляют пространство-время, а движение тел определяется геометрией этого искривлённого пространства. Теория строится на математическом аппарате римановой геометрии, разработанной в XIX веке. В создании ОТО Эйнштейну помогал математик Марсель Гроссман, предложивший использовать тензорное исчисление.
¶Экспериментальные подтверждения
Первым наблюдательным подтверждением ОТО стало отклонение перигелия Меркурия, объяснённое Эйнштейном в 1915 году. В 1919 году британский астроном Артур Эддингтон во время полного солнечного затмения подтвердил, что свет от далёких звёзд отклоняется вблизи Солнца, как предсказывала теория. Этот результат сделал Эйнштейна всемирно известным.
К последующим подтверждениям относятся гравитационное красное смещение, замедление времени в гравитационном поле (проверено на спутниках с атомными часами), открытие гравитационных волн коллаборацией LIGO в 2015 году и получение изображения тени чёрной дыры проектом Event Horizon Telescope в 2019 году.
¶Значение
Теория относительности стала одним из двух фундаментальных оснований современной физики наряду с квантовой механикой. Она применяется в астрономии и космологии (модель расширяющейся Вселенной, чёрные дыры, релятивистская астрофизика), в ядерной физике (эквивалентность массы и энергии лежит в основе ядерных реакций), а также в практических технологиях — системах спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, где учитываются релятивистские поправки на время.
¶История приоритета
Вопрос о том, кто открыл теорию относительности, имеет однозначный ответ в отношении авторства самой теории: Альберт Эйнштейн. Вместе с тем история науки показывает, что идеи относительности развивались постепенно, и вклад Лоренца, Пуанкаре, Минковского и других исследователей в подготовку почвы для работы Эйнштейна признаётся значительным. В 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике — за объяснение фотоэффекта, а не за теорию относительности, которая к тому времени ещё не получила широкого экспериментального подтверждения.
¶Источники
- Эйнштейн А. К электродинамике движущихся тел // Annalen der Physik, 1905.
- Эйнштейн А. Общая теория относительности // Annalen der Physik, 1916.
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 2: «Теория поля».
- Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 1.
- Пайс А. Наука и философия Альберта Эйнштейна.