Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности

Необычность результатов, которые дает специальная теория относительности, сразу же поставили вопрос об их опытной проверке. Предварительно, однако, заметим, что сама эта теория возникла из электродинамики и поэтому все эксперименты, которые подтверждают электродинамику, косвенно подтверждают также теорию относительности. Но кроме подобных косвенных свидетельств существуют эксперименты, которые непосредственно подтверждают выводы теории относительности.

Одним из таких экспериментов является опыт, поставленный французским физиком А. Физо (1819–1896) еще до открытия теории относительности. Он задался целью определить, с какой скоростью распространяется свет в неподвижной жидкости и жидкости, протекающей по трубке с некоторой скоростью. Если в покоящейся жидкости скорость света равна v₀ , то скорость v в движущейся жидкости можно определить тем же способом, каким мы определяем скорость движущегося человека в вагоне по отношению к полотну дороги. Трубка играет здесь роль полотна дороги, жидкость – роль вагона, а свет – бегущего по вагону человека. С помощью тщательных измерений, многократно повторенных разными исследователями, было установлено, что результат сложения скоростей соответствует здесь преобразованию Лоренца и, следовательно, подтверждает выводы специальной теории относительности.

Наиболее выдающимся подтверждением этой теории был отрицательный результат опыта американского физика А. Майкельсона (1852–1931), предпринятый для проверки гипотезы о световом эфире. Согласно господствовавшим в то время воззрениям, все мировое пространство заполнено эфиром – особым веществом, являющимся носителем световых волн. Вначале эфир уподоблялся механической упругой среде, а световые волны рассматривались как колебания этой среды, сходные с колебаниями воздуха при звуковых волнах. Но эта механическая модель эфира в дальнейшем встретилась с серьезными трудностями, так как, будучи твердой упругой средой, она должна оказывать сопротивление движению небесных тел, но ничего этого в действительности не наблюдалось. В связи с этим пришлось отказаться от механической модели, но существование эфира как особой всепроникающей среды по-прежнему признавалось. Для того, чтобы обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, Майкельсон решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному направлению движения Земли и направлению, перпендикулярному к этому движению. Если существует эфир, то время прохождения светового луча по горизонтальному и перпендикулярному направлениям должно быть неодинаковым, но никакой разницы Майкельсон не обнаружил. Тогда для спасения гипотезы об эфире Лоренц предположил, что в горизонтальном направлении происходит сокращение тела в направлении движения. Чисто отрицательный результат опыта Майкельсона стал для Эйнштейна через 18 лет решающим экспериментом для доказательства того, что никакого эфира как абсолютной системы отсчета не существует. Сокращение же тела объясняется таким же способом, как при относительном движении инерциальных систем отсчета.

Общая теория относительности

Общая теория относительности представляет собой новую теорию тяготения, более общую и глубокую, чем ньютоновская теория. В общей теории относительности установлено, что метрические свойства пространства определяются распределением и взаимодействием тяготеющих масс, а силы тяготения зависят от свойств пространства. В общей теории относительности поставлены фундаментальные проблемы: конечности – бесконечности пространства и времени, соотношения материи, движения, пространства и времени.

Принцип эквивалентности

В тот период, когда начала развертываться дискуссия по поводу специальной теории относительности, Эйнштейн продолжал работать над вопросами этой теории и в 1907 г. сформулировал так называемый принцип эквивалентности, утверждающий эквивалентность сил инерции и тяготения. Это привело его в дальнейшем к построению в 1916 г. общей теории относительности – физического учения о пространстве, времени и тяготении.

Общая теория относительности решила проблему формулирования физических законов в произвольной системе отсчета.

В специальной теории относительности, как мы видели, все системы отсчета предполагаются инерциальными, т.е. движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Это название отражает тот факт, что для подобных систем отсчета выполняется закон инерции. Относительно всех инерциальных систем отсчета законы движения тел описываются одинаково, т.е. имеют ту же математическую форму и выражаются теми же уравнениями. До сих пор мы рассматривали движение тел по отношению к инерциальным системам отсчета.

Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно? По своему опыту мы знаем, что, находясь в равномерно движущемся вагоне, нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижно стоящий рядом поезд. Это впечатление сразу исчезнет, как только наш вагон сильно затормозит, и мы ощутим толчок вперед. Если принять теперь за систему отсчета замедленно или ускоренно движущийся вагон, то такая система будет неинерциальной.

Общая же теория относительности утверждает одинаковость законов природы не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах отсчета.

До Эйнштейна было хорошо известно, что действие сил инерции, обусловленных ускоренным движением тел, аналогично действию сил однородного поля тяготения. В результате этого с точки зрения классической механики все механические процессы в неинерциальной равноускоренной системе отсчета происходят так же, как и процессы в инерциальной системе, в которой действует соответствующее однородное поле тяготения. Например, в падающем лифте ускорение вниз полностью ликвидирует влияние тяжести внутри кабины, создавая состояние g = 0.

Эйнштейн обобщил этот факт, предположив эквивалентность указанных систем отсчета не только для механических, но и для электромагнитных процессов. Это означает, что независимо от того, как движется наблюдатель, он может описать все законы природы одинаковыми математическими уравнениями.

Общая теория относительности объединила теорию пространства и времени с теорией тяготения, что означало глубокий переворот в представлениях о геометрии пространства, течении времени и о строении мира в целом.

Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время искривлено распределенными массами и энергией.

Общая теория относительности базируется на гравитационных уравнениях, описывающих изменение гравитационного поля, и объясняет существование гравитационных взаимодействий искривлением четырехмерного пространства-времени.

В общей теории относительности используется уже не привычная нам геометрия Евклида, а другие геометрии, связанные с понятиями искривления пространства под действием полей тяготения, замедления хода времени в сильных гравитационных полях.