Опыт А. Майкельсона и специальная теория относительности

Как уже было сказано в разделе о микромире, новая физика родилась на рубеже Х1Х и ХХ веков, поскольку классическая наука не могла объяснить результаты ряда экспериментов, проведенных в Х1Х веке. Из стремления объяснить рентгеновское излучение и радиоактивность возникли квантовая механика и ядерная физика. Теория относительности А. Эйнштейна выросла из попытки объяснить результаты опыта американского физика и инженера Альберта Майкельсона (1852 - 1931) по определению скорости света относительно неподвижного эфира, существование которого предположил Дж. Максвелл. Результаты опыта Майкельсона, за который он получил Нобелевскую премию, были неожиданными: оказалось, что 1) скорость света не зависит от скорости его источника; 2) что она является мировой константой и постоянна во всех инерциальных системах отсчета; 3) что ее нельзя превысить. т. е. скорость света – это максимальная скорость передачи сигнала. В итоге результаты, полученные А. Майкельсоном, показали, что эфира не существует.

Эти результаты стали первым из «китов», на которых основывается специальная теория относительности. Вторым «китом» стал принцип относительности Г. Галилея, который А. Эйнштейн переформулировал так: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов, и ни одна из них (относительно которой эфир был бы неподвижен), не имеет преимуществ перед другими.

А. Эйнштейн был величайшим теоретиком, и при работе над теорией относительности он использовал прием мысленного эксперимента, называемого «кораблем А. Эйнштейна». Суть этого эксперимента состоит в следующем. Вдоль берега плывет корабль, внутри которого в направлении движения корабля бежит мышка. Скорость мышки относительно берега складывается из ее собственной скорости относительно корабля и скорости корабля относительно берега. Если предположить, что скорость корабля приближается к скорости света (теоретически это возможно), то при этом скорость мышки относительно берега превысит скорость света, что противоречит результату опыта А. Майкельсона.

Для разрешения возникшего противоречия А. Эйнштейну пришлось сменить парадигму: путем логических рассуждений и математических выкладок он пришел к выводу, что при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света (а это скорости МЕГАМИРА, объектами которого являются звезды, галактики и Вселенная), не работает парадигма Ньютона об абсолютности и независимости пространства и времени. Отсюда следовало, что при больших скоростях пространство и время оказываются взаимосвязанными, и время при этом становится четвертой координатой, т.е. пространство в этих условиях имеет как минимум четыре измерения.

Из этого вытекало три следствия:

1) при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света,

расстояние сокращается, отрезок укорачивается и при скорости

света (если бы она оказалась достижимой), стягивается в точку;

2) при больших скоростях время замедляется; широко известен пример Эйнштейна, названный им «парадоксом близнецов»: на Земле в один день родились два мальчика-близнеца, один отправился в длительный космический полет, другой всю свою жизнь провел на Земле. Когда космонавт возвратится домой, он будут еще молодым (при огромных скоростях космического полета время будет течь медленнее, чем на Земле), а его брат окажется глубоким стариком.

3) масса тела не зависит от скорости тела. Отсюда следует, что

никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до

скорости света, т.к. для этого потребуется бесконечная энергия.

Далее А. Эйнштейн нашел связь между массой и энергией: масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Так появилась знаменитая формула Å= mc², где Е – энергия покоя частицы, m - его масса покоя, с - скорость света.

Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности пришло из микромира. Выяснилось, что при опытах с элементарными частицами, которые в специальных ускорителях разгоняют до очень больших скоростей, для хорошего согласия экспериментальных и расчетных данных следует учитывать эффект возрастания массы, так называемые релятивистские поправки к массе (английское слово «relativ» означает «относительный»). Замедление времени экспериментально зафиксировано уже при скоростях космических полетов (в Космосе часы чуть-чуть отстают). Все сказанное свидетельствует о том, что специальная теория относительности описывает не только мегамир, но также и микромир. В макромире же скорости слишком низки, а массы слишком велики, чтобы экспериментально наблюдать релятивистские эффекты.

Итак, специальная теория относительности говорит о том, что при больших скоростях (в мегамире и микромире) проявляется взаимосвязь пространства и времени, т.е. реализуется как минимум четырехмерное пространство-время. В макромире скорости настолько малы, что взаимосвязь пространства и времени экспериментально зафиксировать невозможно.