Спеціальна теорія відносності

      Основи теорії відносності

     Одним з найвидатніших досягнень науки 20-го століття, стало створення теорії відносності. Теорії, яка кардинально змінила наш світогляд та визначально вплинула на хід історії людства. Втім, теорія відносності, це не просто видатна наукова теорія, а й неймовірно цікавий та дивовижний світ. Світ, в якому сорокарічний батько може зустрітися з своїм вісімдесятирічним сином. В якому крива може виявитись коротшою за пряму, атом – важчим за камінь, а секунда – тривалішою за століття. І якщо ви чули, що теорія відносності це надто складно, надто не зрозуміло та надто суперечливо,- не вірте. Не вірте, бо це абсолютна маячня. Теорія відносності це цікаво, пізнавально і зовсім не складно. Тому, ласкаво просимо в дивовижний світ теорії відносності. 

В 1630 році вийшла в світ книга видатного італійського вченого Галілео Галілея (1564-1642), яка називалась “Діалоги про дві системи світу – Птоломеєву та Копернікову”. В ній Галілей вперше сформулював закон, який лежить в основі сучасної науки і який сьогодні називають принципом відносності або принципом Галілея.

Як відомо, заперечуючи факт обертання Землі навколо Сонця, прибічники середньовічної церкви та “здорового глузду” стверджували: “Якби Земля рухалась, то ми б фізично відчували цей рух. Відчували б так, як відчуваємо рух карети, човна чи будь чого іншого”. Відповідаючи на подібні аргументи, Галілей стверджував: “Дійсно, сидячи в кареті ми безумовно відчуваємо, рухається вона чи не рухається. Відчуваємо тому, що карета їде не по ідеально рівній дорозі; її колеса не ідеально круглі; тягові зусилля коней постійно змінюються; дорога вкрита дрібними камінчиками, піщинками, ямками, тріщинками, тощо. А це означає, що сидячи в кареті ми постійно відчуваємо певні поштовхи, тобто різкі зміни швидкості, які власне і вказують на те, що карета рухається. А от якби вас, мене чи кого завгодно, посадити в закриту ізольовану карету, яка б дійсно рухалась рівномірно, тобто без будь яких змін швидкості, то ні я, ні ви, ні хто завгодно не змогли б визначити, стоїть ця карета чи рівномірно рухається. Ніякими експериментами які проводяться в середині закритої ізольованої кабіни не можливо встановити, стоїть ця кабіна чи рівномірно рухається. Не можливо тому, що всі фізичні процеси які відбуваються в кабіні що стоїть (v=0) і в кабіні що рівномірно рухається (v=const), відбуваються абсолютно однаково.

На перший погляд здається, що зроблений Галілеєм висновок суперечить “здоровому глузду”. Адже в повсякденному житті ми практично ніколи не зустрічаємося з ситуаціями, в яких не можливо визначити рухається кабіна чи стоїть. Але ж з іншого боку,  ми ніколи не сиділи в кабіні яка б дійсно рухалась без будь яких змін швидкості. Втім, є одна “кабіна” яка рухається майже рівномірно. Вона називається “планета Земля”. Ця “кабіна” з швидкістю  30 км/с  обертається навколо Сонця і ми, сидячи в ній, дійсно не відчуваємо факту того, що “кабіна” рухається з такою шаленою швидкістю.

Що правда, Земля рухається не зовсім рівномірно. Адже в процесі обертання навколо Сонця та своєї осі, напрям руху Землі і тіл на її поверхні постійно змінюється. А це означає, що факт обертального руху Землі можна експериментально встановити, наприклад за допомогою маятника Фуко. А от якби Земля дійсно рухалась прямолінійно і рівномірно, то ніякими маятниками Фуко і ніякими іншими експериментами, не можливо було б встановити рухається вона чи не рухається.

Іноді думають, що в законі який називається принципом відносності стверджується, що все в цьому світі відносне. Це не правда. Не правда по перше тому, що не все у Всесвіті є відносним. Скажімо, абсолютно незмінними є ті співвідношення які називаються законами Природи і які відображають ті зв’язки, що існують між об’єктами та явищами Всесвіту. Абсолютно незмінною залишається загальна кількість зосередженого у Всесвіті електричного заряду, мас-енергії, тощо. По друге, в принципі відносності стверджується те, що стверджується: ніякими експериментами які проводяться в середині закритої ізольованої кабіни не можливо встановити, стоїть ця кабіна чи рівномірно рухається. Не можливо тому, що всі фізичні процеси які відбуваються в кабіні що стоїть і в кабіні що рівномірно рухається відбуваються абсолютно однаково.

Принцип відносності фактично є базовим законом ньютонівської механіки. Дійсно. В основному законі цієї механіки (першому законі Ньютона) стверджується: будь яке тіло буде знаходитись в стані механічного спокою (v=0), або в стані прямолінійного рівномірного руху (v=const) до тих пір, поки на нього не подіє зовнішня сила, яка і змусить тіло змінити цей стан. Аналізуючи перший (головний) закон ньютонівської механіки, не важко бачити, що в ньому по суті стисло сформульовано два твердження (закони):

Принцип відносності, – не лише базовий закон механіки, а й основа всієї сучасної науки. Адже саме принцип відносності є тим базовим законом, який обґрунтовано доводить, що ті закони фізики, хімії, біології та інших природничих наук, які були відкриті на Землі, діють не лише на Землі, а й у всіх інших місцях Всесвіту. Адже в принципі відносності по суті стверджується: У всіх інерціальних системах відліку, тобто таких системах де виконується перший закон Ньютона (закон інерції), всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.

Чи задумувались ви над тим, чому вчені з такою впевненістю говорять про ті події, які відбуваються в практично недосяжних частинах Всесвіту? Чому вони впевнені в тому, що ті закони які були відкриті на тій піщинці Всесвіту яка називається Землею, діють і в інших куточках Всесвіту? А можливо там, в інших галактиках все відбувається по іншому? Можливо там діють інші закони, існують інші атоми, інші елементарні частинки? Хто був в тих далеких світах? Хто перевіряв достовірність тверджень земної науки?

Відповіді на ці та їм подібні запитання дає принцип відносності, тобто той базовий закон в якому стверджується: У всіх інерціальних системах відліку, тобто таких системах де виконується перший закон Ньютона, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.  По суті це означає, що для з’ясування факту того, діють чи не діють відкриті на Землі закони Природи в інших частинах Всесвіту, зовсім не обов’язково вирушати в далеку космічну мандрівку. Достатньо з’ясувати, чи виконується у відповідній частині Всесвіту перший закон Ньютона. І якщо цей закон виконується, то це автоматично та гарантовано означає, що у відповідному місці всі інші відомі закони Природи гарантовано виконуються. Не вірити цьому експериментально доведеному факту, це все рівно ніби заперечувати факт того, що Земля обертається навколо своєї осі та навколо Сонця. Заперечувати лише на підставі того, що ми не відчуваємо відповідного руху.

І от ми, дивимось на далекі зірки та галактики, аналізуємо їх поведінку і бачимо: у всіх куточках Всесвіту, всі його об’єкти рухаються у повній відповідності з першим законом Ньютона. А це означає, що у всьому Всесвіті діють одні і ті ж закони і що ці закони в точності співпадають з тими, що діють на Землі.

Таким чином, сучасна наука стоїть на тому, що у всіх інерціальних системах відліку, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково. Але ж в Природі,  існує безліч систем відліку які є неінерціальними. Скажімо Земля, обертаючись навколо Сонця, постійно змінює напрям свого руху. А це означає, що жорстко з’єднана з Землею система відліку, строго кажучи, є неінерціальною. І якщо ми вважаємо земну систему відліку інерціальною, то це тільки тому, що радіуси тих кіл які описує Земля та тіла на її поверхні в процесі свого руху навколо Сонця, навколо центру Галактики та навколо власної осі обертання, є таким великими, що фактом зміни напрямку цього руху можна знехтувати.

Та як би там не було, а в Природі існує безліч неінерціальних систем відліку, тобто таких систем в яких перший закон Ньютона не виконується. Не виконується в тому сенсі, що в неінерціальній системі відліку певні зміни швидкості руху тіл відбуваються без видимої силової причини. Звичайно, це не означає, що в неінерціальних системах відліку, певні події відбуваються безпричинно. Просто причиною цих подій є не певна внутрісистемна сила, а прискорений рух самої системи відліку, який неминуче породжує ту позасистемну силу, яку називають силою інерції.

Головним недоліком неінерціальних систем відліку є факт того, що параметри тієї сили інерції, яка є причиною “безпричинних” подій в цих системах, залежать від величини та напрямку прискорення самої системи відліку. А ця величина і цей напрямок можуть бути найрізноманітнішими. Натомість, у всіх інерціальних системах відліку, всі події відбуваються абсолютно однаково. Зважаючи на ці обставини, в науковій практиці поведінку майже всіх фізичних об’єктів описують в тих системах відліку які є зручнішими, тобто в інерціальних системах відліку.

Таким чином, аналізуючи експериментальні факти, зокрема факт еквівалентності інерційної та гравітаційної мас, та спираючись на результати багатьох реальних та уявних експериментів, Ейнштейн з притаманною йому чіткістю формулює три базові принципи:

Спираючись на ці базові принципи, Ейнштейн в 1916 році створює загальну теорію відносності. Теорію, яка кількісно пояснила все різноманіття механічних, електромагнітних та гравітаційно-інерційних явищ, і яка була достовірною для будь якої системи відліку.


Словник  термінів

Принцип відносності – це базовий закон, в якому стверджується: у всіх інерціальних системах відліку, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.

Інерціальна система відліку – це така система відліку, в якій виконується перший закон Ньютона (закон інерції).

Неінерціальна система відліку – це така система відліку, в якій не виконується перший закон Ньютона. Не виконується в тому сенсі, що в результаті прискореного руху самої системи, певні події в ній виглядають безпричинними.

Здоровий глузд – це сукупність поглядів, навичок та форм мислення пересічних людей, яка стихійно формується в процесі їх повсякденного життя та являється основою для їх практичної діяльності. 

Світловий рік – це позасистемна одиниця вимірювання довжини, яка дорівнює тій відстані на яку розповсюджується світловий сигнал за один земний рік:   1 с.р. = 9,46 ·1015м.

Час – це базове поняття, яке констатує той факт, що всі ті події які відбуваються в Природі мають певну тривалість та послідовність, або, як прийнято говорити, відбуваються у часі. (З іншого боку, час –це фізична величина, яка характеризує тривалість подій і яка дорівнює цій тривалості).

Простір – це базове поняття, яке констатує той факт, що всі матеріальні об’єкти Природи мають певні геометричні параметри, певне місцезнаходження, певним чином розташовані один відносно одного, або, як прийнято говорити, існують в просторі. 

Маса (в класичній, до релятивістській фізиці) – це фізична величина, яка є мірою інерціальних та гравітаційних властивостей тіла, а також, мірою кількості речовини в тілі, виміряної в кілограмах. 

Енергія (в класичній, до релятивістській фізиці) – це фізична величина, яка характеризує здатність тіла, частинки або поля виконати роботу. 

Масенергія – це фізична величина, яка є загальною мірою руху матерії, мірою її інерціальних та гравітаційних властивостей.