Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим, каким ус­ловиям должны удовлетворять преобразования пространст­венных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времени, то уравнения преобразования будут иметь следующий вид преобразований Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворять также требова­нию постоянства скорости света, то они описываются преобразованием Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853—1928).

Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что движущаяся твердая линейка будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется.

Для того чтобы гарантировать, что принцип относи­тельности имеет общий характер, т.е. законы электромагнит­ных процессов имеют одинаковую форму для инерциальных систем, Эйнштейну пришлось отказаться от галилеевских преобразований и принять преобразования Лоренца.

Специальная теория относительности возникла из электродина­мики и значительно упростила вывод зако­нов и уменьшила количество независимых ги­потез, лежащих в ее основе. Однако чтобы стать согласованной с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти из­менения касаются в основном законов быстрых движений – скорость которых сравнима со скоростью света. В земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют край­не малую величину, и ими можно пренебречь.

Во втором законе Ньютона (F= та) масса считалась постоянной, но в теории относительности она зависит от скорости движе­ния. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса тела неограниченно растет и в пределе приближается к бесконеч­ности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны. Движе­ния со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере движения электронов в их ускорителях. Эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания теории об увеличении их массы с возрастанием скорости.

3. Понятие пространства-времени в специальной теории относительности.

В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмот­реть прежние представления классической механики о прост­ранстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютонов­ского понятия абсолютного пространства и времени, а также от определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

Каждое движение тела происходит относительно определен­ного тела отсчета, и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

Отсюда становится также ясным, что для Эйнштейна основные физические понятия, такие, как пространство и время, приобретают ясный смысл только после указания тех эксперимен­тальных процедур, с помощью которых можно их проверить. «Понятие, — пишет он, — существует для физики постольку, поскольку есть возможность в конкретном случае найти, верно оно или нет». Вместо абстрактных рассуждений об абсолютном движении в теории относительности рассматривают конкретные движения тел по отношению к конкретным системам отсчета, связанным с конкретными телами.

Другой важный результат теории относительности:

Связь обособленных в классической механике понятий про­странства и времени в единое понятие пространственно-временной непрерывности (континуума).

Как мы уже знаем, положение тела в пространстве определяется тремя его координатами х, у, z, но для описания его движения не­обходимо ввести еще четвертую координату — время. Таким об­разом, вместо разобщенных координат пространства и времени теория относительности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Германа Минковского (1864—1909), по имени немецкого математика и физика, впервые предложившего такую трактовку. Главная заслуга Минковского, по мнению Эйнштейна, состоит в том, что он впервые указал на формальное сходство пространствен­но-временной непрерывности специальной теории относи­тельности с непрерывностью геометрического пространств Евклида.

Новые понятия и принципы теории относительности сущест­венно изменили не только физические, но и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, кото­рые господствовали в науке более двухсот лет. Особенно резкое сопротивление они встретили со стороны людей, при­держивающихся так называемого здравого смысла, который в конечном итоге также ориентируется на доминирующие в обществе научные взгляды, почерпнутые из классической науки. Действительно всякий, кто впервые знакомится с тео­рией относительности, нелегко соглашается с ее выводами. Опираясь на повседневный опыт, трудно представить, что длина линейки или твердого тела в движущейся инерциаль-ной системе сокращается в направлении их движения, а вре­менной интервал увеличивается.

В связи с этим представляет интерес парадокс близнецов, кото­рый нередко приводят для иллюстрации теории относительно­сти. Пусть один из близнецов отправляется в космическое пу­тешествие, а другой — остается на Земле. Поскольку в равно­мерно движущемся с огромной скоростью космическом корабле темп времени замедляется, и все процессы происходят медленнее, чем на Земле, то космонавт, вернувшись на нее, ока­жется моложе своего брата. Такой результат кажется парадок­сальным с точки зрения привычных представлений, но вполне объяснимым с позиций теории относительности.

Необычные результаты, которые дает теория относительности, сразу же поставили вопрос об их опытной проверке. Сама эта теория возникла из элек­тродинамики, и поэтому все эксперименты, которые подтверж­дают электродинамику, косвенно подтверждают также теорию относительности. Но кроме подобных косвенных свидетельств, существуют эксперименты, которые непосредственно под­тверждают выводы теории относительности. Одним из таких экспериментов является опыт, поставленный французским физиком Арманом Физо (1819—1896) еще до открытия теории от­носительности. Он задался целью определить, с какой скоро­стью распространяется свет в неподвижной жидкости и жидко­сти, протекающей по трубке с некоторой скоростью. Если в покоящейся жидкости скорость света равна w, то скорость v в движущейся жидкости можно определить тем же способом, ка­ким мы определяли скорость движущегося человека в вагоне по отношению к полотну дороги. Трубка играет здесь роль по­лотна дороги, жидкость — роль вагона, а свет — бегущего по вагону человека. С помощью тщательных измерений, много­кратно повторенных разными исследователями, было установ­лено, что результат сложения скоростей соответствует здесь преобразованию Лоренца и, следовательно, подтверждает вы­воды специальной теории относительности. Наиболее выдающимся подтверждением этой теории был отри­цательный результат опыта американского физика Альберта Майкельсона (1852—1931), предпринятый для проверки гипо­тезы о световом эфире. Согласно господствовавшим в то время воззрениям, все мировое пространство заполнено эфиром — гипотетическим веществом, являющимся источником световых волн. Вначале эфир уподоблялся упругой механической среде, а световые волны рассматривались как результат колебаний этой среды, то есть, как волны, сходные с появляющимися на поверхности жидкости, вызванные колебаниями частиц жид­кости. Но эта механическая модель эфира в дальнейшем встре­тилась с серьезными трудностями, так как, будучи твердой уп­ругой средой, эфир должен был оказывать сопротивление дви­жению небесных тел, но ничего этого в действительности не наблюдалось. В связи с этим пришлось отказаться от механиче­ской модели, но существование эфира как особой всепроницающей среды по-прежнему признавалось.