До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т. е. она рассматривала поведение материальных объектов с конеч ньш числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механическими свойствами тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний меж­ду телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. анг­лийскими физиками М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены ло пря­мым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал Эйнштейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что "недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы". Из теории Максвел­ла вытекал вывод о конечной скорости распространения элек­тромагнитных взаимодействий и существовании электромаг­нитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматри­ваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов со­хранения и принципа близкодействия благодаря введению по­нятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по словам Эйнштейна, явилось "самым важным достиже­нием со времени Ньютона". Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень сущест­венно для описания физических свойств пространства и време­ни. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь вели­чин, характеризующих электрические и магнитные поля с распре­делением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйн­штейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения в рамках существовавшей в кон­це XIX в. физической картины мира требовал и отрицательный результат по обнаружению мирового эфира, полученный аме­риканским физиком А. Майкельсоном. Его опыт доказал неза­висимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению. Некоторые физики пытались истол­ковать их как указывающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлении движения под дей­ствием возникающих при этом электромагнитных сил.

Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел ма­тематические уравнения (преобразования Лоренца) для вычис­ления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависи­мости от скорости движения.

Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лорен­ца отражаются не реальные изменения размеров тел при дви­жении (что можно представить лишь в абсолютном пространст­ве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

Таким образом, относительными оказывались и "длина", и "промежуток времени" между событиями, и даже "однов­ременность" событий. Иначе говоря, не только всякое движе­ние, но и пространство, и время.

1.2. Пространство и врем,я в свете теории

относительности Эйнштейна

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синте­за классической механики Галилея—Ньютона и электродина­мики Максвелла—Лоренца. "Она описывает законы всех физи­ческих процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, та­ким образом, оказывается ее частным случаем”.

Если бы были найдены абсолютные пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отка­заться от принципа относительности, в соответствии с кото­рым инерциальные системы равноправны. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип от­носительности, который теперь распространяется и на элек­тромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. "Для всех фи­зических процессов скорость света обладает свойством беско­нечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, рав­ную скорости света, требуется бесконечное количество энер­гии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был под­твержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света".

Скорость света является предельной скоростью распростра­нения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказы­вается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отноше­нию к скорости света имеют скорость, равную нулю.

Замечательный русский поэт Л. Мартынов сказал об этом так.

Это почти неподвижности мука, Мчаться куда-то со скоростью звука, Зная при этом, что есть уже где-то Некто, летящий со скоростью света.

И в самом деле, скорость звука всего лишь 340 м/с. Это не­подвижность по сравнению со скоростью света.

Из этих двух принципов — постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математи­чески следуют все положения специальной теории относительно­сти (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наи­меньшей по отношению к покоящейся. По формуле:

где /' — длина тела в движущейся системе со скоростью V по отношению к неподвижной системе; / — длина тела в покоящейся системе.

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса — наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвиж­ной, в которой этот процесс будет более быстрым. По формуле:

Еще раз подчеркнем, что эффекты специальной теории от­носительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.

Эйнштейн попытался наглядно показать, как происходит замедление течения времени в движущейся системе по отно­шению к неподвижной. Представим себе железнодорожную платформу, мимо которой проходит поезд со скоростью, близ­кой к скорости света (см. рис. 1).