Основные черты теории относительности

Явления, описываемые Относительности теория и называемые релятивистскими (от лат. relatio — отношение), проявляются при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме с = (2,997924562 ± 0,000000011) ´ 10¹⁰см/сек. При таких скоростях (называемых релятивистскими) зависимость энергии Е тела от его скорости v описывается уже не формулой классической механики Е_кин = mu²/2, а релятивистской формулой  (1)

  Масса т, входящая в эту формулу, в Относительности теория называется также массой покоя. Из (1) видно, что энергия тела стремится к бесконечности при скорости u, стремящейся к с, поэтому если масса покоя не равна нулю, то скорость тела всегда меньше с, хотя при Е>>mc ²она может стать сколь угодно близкой к с. Это непосредственно наблюдается на ускорителях протонов и электронов, в которых частицам сообщаются энергии, много большие mc ², и поэтому они движутся со скоростью, практически равной с. Со скоростью света всегда движутся частицы, масса покоя которых равна нулю (фотоны — кванты света, нейтрино). Скорость с является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.

  Существование предельной скорости вызывает необходимость глубокого изменения обычных пространственно-временных представлений, основанных на повседневном опыте. Рассмотрим следующий мысленный опыт. Пусть в вагоне, движущемся со скоростью u относительно полотна железной дороги, посылается световой сигнал в направлении движения. Скорость сигнала для наблюдателя в вагоне равна с. Если бы длины и времена, измеряемые любым наблюдателем, были одинаковы, то выполнялся бы закон сложения скоростей классической механики и для наблюдателя, стоящего у полотна, скорость сигнала была бы равна с + u, т. е. была бы больше предельной. Противоречие устраняется тем, что в действительности с точки зрения наблюдателя, относительно которого физическая система движется со скоростью u, все процессы в этой системе замедляются в  раз (это явление называется замедлением времени), продольные (вдоль движения) размеры тел во столько же раз сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются неодновременными для другого, движущегося относительно него (т. н. относительность одновременности). Учёт этих эффектов приводит к закону сложения скоростей, при котором предельная скорость оказывается одинаковой для всех наблюдателей.

  Характерное для Относительности теория явление замедления времени может принимать огромные масштабы. В опытах на ускорителях и в космических лучах образуются распадающиеся (нестабильные) частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. В результате замедления времени (с точки зрения земного наблюдателя) времена их распада и, следовательно, проходимые ими (от рождения до распада) расстояния увеличиваются в тысячи и десятки тысяч раз по сравнению с теми, которые частицы пролетали бы, если бы эффект замедления времени отсутствовал.

  Из релятивистской формулы для энергии следует, что при малых скоростях (u<<с) энергия тела равна

  Второй член справа есть обычная кинетическая энергия, первый же член показывает, что покоящееся тело обладает запасом энергии E_o = mc ², называющейся энергией покоя (т. н. принцип эквивалентности энергии и массы, или принцип эквивалентности Эйнштейна).

  В ядерных реакциях и процессах превращений элементарных частиц значительная часть энергии покоя может переходить в кинетическую энергию частиц. Так, источником энергии, излучаемой Солнцем, является превращение четырёх протонов в ядро гелия; масса ядра гелия меньше массы четырёх протонов на 4,8×10^–26г, поэтому при каждом таком превращении выделяется 4,3×1^–5эрг кинетической энергии, уносимой излучением. За счёт излучения Солнце теряет в 1 сек 4×10⁷т своей массы.

  Относительности теория подтверждена обширной совокупностью фактов и лежит в основе всех современных теорий, рассматривающих явления при релятивистских скоростях. Уже последовательная теория электромагнитных, в частности оптических, явлений, описываемых классической электродинамикой (см. Максвелла уравнения), возможна только на основе Относительности теория Теория относительности лежит также в основе квантовой электродинамики, теорий сильного и слабого взаимодействий элементарных частиц. Законы движения тел при релятивистских скоростях рассматриваются в релятивистской механике, которая при скоростях u<<с переходит в классическую механику Ньютона. Квантовые законы движения релятивистских микрочастиц рассматриваются в релятивистской квантовой механике и квантовой теории поля.

Относительности теория, физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Закономерности, устанавливаемые О. т., являются общими для всех физических процессов, поэтому часто о них говорят просто как о свойствах пространства-времени. Как было установлено А. Эйнштейном, эти свойства зависят от гравитационных полей (полей тяготения), действующих в данной области пространства-времени. Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуются в общей теории относительности (ОТО), называются также теорией тяготения. В частной теории относительности рассматриваются свойства пространства-времени в приближении, в котором эффектами тяготения можно пренебречь. Логически частная О. т. есть частный случай ОТО, откуда и происходит её название. Исторически развитие теории происходило в обратном порядке; частная О. т. была сформулирована Эйнштейном в 1905, окончательная формулировка ОТО была дана им же в 1916. Ниже излагается частная О. т., называется в литературе также теорией относительности Эйнштейна, просто О. т., или специальной теорией относительности (история её возникновения изложена в последнем разделе).

Основные черты теории относительности
Принцип относительности и другие принципы инвариантности
Инерциальные системы отсчёта
Преобразования Лоренца
Законы сохранения в теории относительности и релятивистская механика
Теория относительности и эксперимент
История частной теории относительности