3. Специальная теория относительности (сто).
С созданием электромагнитной картины мира физика начинает достаточно плотно изучать магнитные, электрические и оптические явления. В связи с этим встал вопрос о выполняемости принципа относительности Г. Галилея для электромагнитных явлений.
Отправной точкой для исследований А. Эйнштейна стало доказательство постулата о постоянстве скорости света (отрицательный результат эксперимента по обнаружению эфира, проведенного А. Майкельсоном и У. Морли в конце XIX в.) – скорость света в вакууме является универсальной постоянной и обозначается буквой с во всех физических законах.
Исходя из этого утверждения, делался кажущийся правильным вывод о несовместимости принципа относительности Г. Галилея и законом распространения света – с точки закона сложения скоростей Г. Галилея скорость света могла быть сколь угодно большой, что противоречило постулату о постоянстве этого показателя. А. Эйнштейн доказал обратное – принцип относительности совместим с законом распространения света (основное положение СТО).
По мнению А. Эйнштейна, кажущееся противоречие было порождено двумя постулатами механики И. Ньютона – размеры тела и временной отрезок между событиями имеют абсолютные значения, т .е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Подобные представления об изменении времени и координат при переходе от одной системы отсчета к другой нашли свое математическое выражение в преобразованиях Г. Галилея:
Однако, с точки зрения постоянства скорости света, преобразования Х. Лоренца должны быть заменены на преобразования нидерландского физика X. Лоренца (1853-1928)
Исходя из постулата о постоянстве скорости света и преобразований Х. Лоренца, А. Эйнштейн сделал выводы, которые легли в основу СТО: с возрастанием скорости движения системы и приближении ее к скорости света пространственно-временные характеристики изменяются следующим образом:
1) размеры тела уменьшаются (эффект сокращения расстояний) – размеры быстро движущихся тел сокращаются в направлении движения по сравнению с их длиной в состоянии покоя;
2) масса возрастает – опыты по ускорению элементарных частиц (ускорение электрона в 1901 г.).
Дальнейшим развитием этого утверждения стала работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», где он изложил принцип эквивалентности массы тела его энергии. Математически
эта зависимость выразилась в формуле: E=mc2, которая гласит, что любой перенос энергии всегда связан с переносом соответствующей массы, что означает превращение массы в энергию.
3) темп времени замедляется, а временной промежуток увеличивается («эффект близнецов») – замедление хода часов в быстро движущейся системе по сравнению с часами, находящимися в системе, покоящейся по отношению к первой. Иными словами, с точки зрения наблюдателя, который движется относительно рассматриваемой системы, все интервалы времени увеличиваются по сравнению с интервалами, наблюдаемыми в этой системе.
В качестве примера можно привести наблюдения над элементарными частицами, названными мю-мезономи или мюонами. Средняя продолжительность существования таких частиц около 2 микросекунд, но, тем не менее, некоторые из них, образующиеся на высоте 10 км, долетают до поверхности Земли. Как объяснить этот факт? Ведь при средней их «жизни» в 2 микросекунды эти частицы могут проделать путь только в 600 м. Все дело в том, что продолжительность существования мюонов определяется по-разному для разных систем отсчета. С «их» точки отсчета они «живут» 2 микросекунды. С нашей же, земной, - значительно больше, так что некоторые из них, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, достигают поверхности Земли.
Таким образом, создание СТО оказало решающее воздействие на пересмотр классических представлений об абсолютных пространстве и времени, а также о движении, которое совершается относительно пространства и времени. СТО доказала, что любое движение тела происходит не само по себе, а относительно какой-либо точки или системы отсчета. Следовательно, пространство, время и материя в СТО объединяются в четырехмерный пространственно-временной континуум (впервые подобную трактовку предложил немецкий математик и физик Г. Минковский (1864-1909)). В этом мире положение каждого события определяется четырьмя числами: тремя пространственными координатами движущегося тела х, у, z и четвертой координатой – временем t.