3. Специальная и общая теория относительности.

Специальная теория относительности. Специальная теория относительности (СТО), опубликованная Эйнштейном в 1905 году, описывает релятивистские процессы и явления и проявляется при скорости движения, близкой к скорости света. Для создания СТО Эйнштейн принял два постулата: 1) скорость света во всех инерциальных системах отсчета остается постоянной; 2) законы природы во всех инерциальных системах отсчета инвариантны (одинаковы). Кроме того, он применил преобразования нидерландского физика-теоретика Хендрика Лоренца.

Взаимосвязь пространства и времени, проявляется в четырехмерном пространстве-времени. Этот взаимосвязь наглядно отражается в формуле расстояния (s) между двумя событиями в четырехмерном пространстве:

∆s= = ,

где - время, ∆ℓ - расстояние между двумя точками в трехмерном пространстве.

Преобразование Лоренца также содержит взаимосвязь между пространством и временем в виде взаимосвязи между координатами не движущих (К) и движущих (К¹) системам отсчетов х¹= γּ(х─ ) и t¹= γּ(t─ ), где γ = 1/ - называется релятивистским коэффициентом. Выражения для γ Лоренц находил исходя из линейности преобразования и постоянства скорости света в движущихся (К¹) и не движущихся (К) системах отсчетов.

Пользуясь преобразованием Лоренца, Эйнштейн создал ОТО, согласно которой длина движущегося тела сокращается по закону:

ℓ = ℓ_{0 ,}

Масса тела, движущегося со скоростью , возрастет по закону:

m = m₀/ _,

Течение времени движущихся часов замедляется по закону:

τ = τ₀ּ _,

Следующий пример более наглядно показывает замедление времени при движениях с большими скоростями. Допустим, стартовал космический корабль со скоростью 0,99 км/с и вернулся через 50 лет. Согласно СТО, по часам космонавта этот полет продолжался всего лишь один год. Если космонавт в возрасте 20 лет оставил на Земле только что родившегося сына, то 50 летний сын будет встречать 21-летнего отца.

В СТО получена следующая формула заменяющая закона суммирование скоростей:

¹= ( +u)/(1+ u/c² ) ,

если тело движется со скоростью света =с. и система отсчета движется со скоростью света u=c, тогда получим: ¹=с. Следовательно, скорость света осталась постоянной, независимо от скорости движения системы отсчета.

Общую теорию относительности. В системах отсчета движущихся с ускорением, не выполняются ни принцип инерции, ни законы механики. Возникла необходимость создать теорию, описывающую движения тела в неинерциальных системах отсчета. Эту задачу выполнил Эйнштейн, создавая общую теорию относительности (ОТО).

В ОТО Эйнштейн распространяет принцип относительности на неинерциальные системы отсчета. Он исходит из того, что эквивалентны гравитационные и инерциальные массы тела. Еще в 1890 году венгерским физиком Л. Этвешем была подтверждена с высокой точностью эквивалентность гравитационной и инерциальной массы тела до 10^-9. Это утверждение об эквивалентности гравитационной и инерциальной массы было положено в основу ОТО.

ОТО показала, что пространство около концентрации масс, искривлено и имеет характер пространства Римана. ОТО заменяет закон всемирного тяготения Ньютона с релятивистским законом тяготения Эйнштейна, от которого в частном случае вытекает закон Ньютона. В 1919 и 1922 гг. при затмении Солнца изучалось отклонение луча, приходящего от далеких звезд, от прямолинейности в поле тяготения Солнца. Опыты показали искривленность пространства около Солнца и тем самым доказали правильность ОТО.

ОТО описывает релятивистские законы тяготения, как воздействие материи на свойства пространства и времени. А свойства пространства и времени влияют на физические процессы, протекающие в них. Поэтому движение материальной точки в четырехмерном пространстве происходит по геодезической линии искривленного пространства. Следовательно, уравнение движения материальной точки описывает геодезическую линию искривленного пространства. Эйнштейн нашел это уравнение. Оно состоит из 10 уравнений. В этих уравнениях гравитационное поле описывается при помощи 10 потенциалов полей. Математический аппарат ОТО сложен, почти все задачи, связанные с ОТО, пока что не решаемы, кроме простейших. Поэтому ученые до сих пор пытаются разобраться в смыслах ОТО.