Основные положения теории относительности

Новое представление о пространстве и времени сформулировала теория относительности. Пространство и время органически связаны между собой и образуют единую форму существования материи – пространство-время.

В основе специальной теории относительности лежат принципы относительности.

Согласно принципу относительности Галилея уравнения динамики оказываются инвариантными (т.е. не изменяются) при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой. Никакими механическими опытами, проведенными в данной системе отсчета, нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится.

Принцип относительности Эйнштейна является обобщением механического принципа относительности на любые физические процессы: никакими опытами (механическими, электрическими, оптическими и др.), проведенными в данной СО, нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится; все законы природы одинаковы во всех ИСО; уравнения, выражающие эти законы, инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Специальная теория относительности (СТО) была создана А. Эйнштейном в 1905 г. и представляет собой физическую теорию пространства и времени. В основе этой теории лежат два постулата:

1. Принцип относительности, согласно которому все инерциальные системы отсчета являются равноправными.

2. Принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Это фундаментальное свойство природы постулируется как опытный факт.

Постоянство скорости света было доказано в опыте Майкельсона и Морли (1887).

Преобразованиями координат и времени в СТО являются преобразования Лоренца. Остановимся на ряде важных следствий из них.

1 События, одновременные в одной ИСО, оказываются неодновременными в другой.

2 Длительность событий в различных ИСО оказывается различной. (Парадокс близнецов).

3 Линейные размеры тел вдоль направления движения уменьшаются при увеличении скорости тел.

Таким образом, согласно Эйнштейну пространство и время образуют единый четырехмерный континуум пространство-время. Ивариантом в четырехмерном пространстве Эйнштейна является интервал между двумя событиями.

Общая теория относительности (ОТО) А. Эйнштейна (1916) представляет собой классическую релятивистскую теорию гравитации. В основе ОТО лежит принцип эквивалентности сил инерции и тяготения и, как следствие, тождественность гравитационной и инертной масс.

Масса фигурирует в двух различных законах: основном законе динамики (втором законе Ньютона) и законе всемирного тяготения.

В первом случае она характеризует инертные свойства тела, во втором – гравитационные. Совокупность опытных данных показывает, что инертная и гравитационная массы всех тел строго пропорциональны друг другу, что означает, что при надлежащем выборе единиц инертная и гравитационная массы становятся тождественными.

Согласно принципу эквивалентности свойства движения в неинерциальной СО такие же, как и в инерциальной при наличии гравитационного поля. Таким образом, неинерциальная система отсчета эквивалентна некоторому гравитационному полю.

В отсутствие гравитационного поля пространство оказывается плоским (евклидовым). Гравитирующие массы приводят к искривлению пространства-времени.

Согласно ОТО, никаких специальных сил тяготения не существует. Всякое тело движется в искривленном пространстве-времени “свободно” по линиям, вдоль которых расстояние между двумя точками оказывается минимальным. Такие линии называются геодезическими.

Решения уравнений ОТО для однородной Вселенной (А. Фридман, 1922) привело к динамическим моделям Вселенной и теории Большого взрыва, лежащей в основе современных космологических концепций.

Общая теория относительности подтверждается следующими экспериментальными фактами.

1 Вращение перигелия планет. Из решения уравнений ОТО для Солнечной системы (К. Шваршильд, 1916) следует, что эллиптические орбиты, по которым движутся планеты, медленно поворачиваются (прецессируют) в своей плоскости.

2 Гравитационное красное смещение. Согласно ОТО ход времени вблизи гравитирующих объектов замедляется. В Италии, США и Японии были проделаны эксперименты, в которых сравнивался ход двух идентичных атомных часов, одни из которых находились высоко в горах. Результаты этих экспериментов оказались в полном согласии с выводами ОТО.

3 Искривление световых лучей под действием гравитационного поля. Согласно предсказаниям ОТО, гравитационное поле искривляет световые лучи. С большой точностью определено отклонение Солнцем радиолучей от квазаров (квазизвездных источников радиоизлучения с длиной волны порядка нескольких сантиметров). Полученное значение угла α совпадает с предсказанным ОТО с точностью в 1%.