Специальная теория относительности Эйнштейна: простое объяснение — без математики
Вся эта революция в физике началась с простых мысленных экспериментов, творившихся в пылком воображении Эйнштейна ещё до того, как он окончил школу. Специальная теория относительности Эйнштейна сегодня — условность. Но чтобы понять, насколько революционной она была для своего времени, полезно взглянуть на общепринятое понимание физики в подростковые годы Эйнштейна.
В 1801 году Томас Юнг провёл простой эксперимент с двумя щелями, который показал, что свет ведёт себя как волна. Поэтому в то время существовала теория о свете как о волне. Проблема заключалась в том, что волна, как считалось, должна была распространяться в некоей среде. Эту субстанцию они назвали светоносным эфиром.
Но в 1887 году двум учёным, Альберту Майкельсону и Эдварду Морли, пришла в голову идея проверить существование эфира. Считалось, что фоновый эфир неподвижен и статичен, поэтому, если волна движется в том же направлении, что и Земля, её скорость должна быть выше в направлении скорости Земли. Майкельсон и Морли показали, что скорость света в этих двух измерениях одинакова. Это серьёзно подорвало теорию эфира.
Эйнштейн знал это, поэтому в 16 лет придумал мысленный эксперимент. Он представлял, что гонится за лучом света, двигаясь со скоростью света. Что бы он увидел? Если бы юный Альберт смог догнать луч, он увидел бы стоячую волну.
Однако это было невозможно. Эйнштейн знал, что такие стационарные поля нарушают уравнения электромагнетизма, разработанные Джеймсом Клерком Максвеллом 20 лет назад.
Поэтому он сформулировал два постулата и попытался понять, какова была бы физика, если бы оба постулата были верны.
Постулат 1 заключался в том, что законы физики одинаковы для всех инерциальных систем отсчёта. Постулат 2 заключался в том, что скорость света в вакууме постоянна для всех инерциальных систем отсчёта.
Первый постулат принимался сотни лет. Однако второй постулат стал революцией.
Это означало, что молодой Эйнштейн никогда не увидит стационарных осциллирующих полей, поскольку не сможет уловить световой луч.
Но это решение, казалось, имело фатальный изъян. Позже Эйнштейн объяснил проблему другим мысленным экспериментом:
Представьте, что вы направляете световой луч вдоль железнодорожной насыпи в тот момент, когда поезд с грохотом проносится в том же направлении со скоростью, скажем, 2000 миль в секунду. Стоящий на насыпи измерил бы скорость светового луча, получив стандартное значение – 186 000 миль в секунду. Но тот, кто находится в поезде, увидел бы, что он пролетает мимо со скоростью всего 184 000 миль в секунду.
Если бы скорость света не была постоянной, уравнения Максвелла внутри вагона каким-то образом выглядели бы иначе, и первый постулат был бы нарушен. Решение его мысленного эксперимента состояло в том, что наблюдатели, находящиеся в относительном движении, воспринимают время по-разному. Это полностью перевернуло вековые представления классической физики, в которой время во Вселенной было абсолютным. Эйнштейн показал, что время относительно и меняется в разных системах отсчёта. Идея эфира больше не была нужна.
Это осознание того, что реальность различна для разных систем отсчёта, также привело к другим следствиям специальной теории относительности:
Что быстро движущиеся объекты кажутся короче;
Что быстро движущиеся объекты кажутся имеющими большую массу;
И, наконец, самое известное уравнение в науке: E=MC2;
Что масса и энергия эквивалентны.
Итак, как Эйнштейн пришёл к своему самому известному уравнению, основанному на двух его исходных постулатах? Давайте рассмотрим это концептуально.
Если сохранение массы интерпретируется как сохранение массы покоя, то в специальной теории относительности это не выполняется. Поскольку разные наблюдатели расходятся во мнениях относительно того, что такое энергия системы, должны сохраняться масса и энергия вместе, а не только масса сама по себе.
Оказывается, для того, чтобы законы физики, а именно законы сохранения энергии и импульса, были согласованы в двух «системах отсчёта» двух наблюдателей, движущихся относительно друг друга, необходима энергия, связанная с покоящимся телом, а не только с движущимся. Именно это подразумевает уравнение E=MC² – M в уравнении – это масса покоя.
Некоторые отмечают, что значительная часть работы по специальной теории относительности уже была проделана к тому времени, как Эйнштейн её представил. Концепции замедления времени для движущихся объектов уже существовали, а математический аппарат был разработан Лоренцем и Пуанкаре. Эйнштейн всё ещё заслуживает похвалы, поскольку он полностью отверг идею эфира, чего не сделали другие учёные, а идея эквивалентности массы и энергии посредством уравнения E=MC² принадлежит исключительно Эйнштейну. Учёные, работавшие ранее, такие как Томсон, Лармор, Лоренц или Пуанкаре, никогда не предполагали столь смелого утверждения.
#специальнаятеорияотносительности
#эйнштейн
#michelsonmorley
Информация по комментариям в разработке