Активное обсуждение теории относительности в комментариях к публикации "Так есть эфир или нет?" подтолкнуло меня рассказать о теории относительности. Я не являются физиком-теоретиком, поэтому мои рассуждения могут быть не очень точными.
В начале вспомним о принципе относительности Галилея. Здесь все максимально просто. Принцип говорит о том, что законы механики выполняются одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Если мы едем на поезде, который движется равномерно и прямолинейно, мы можем, например, играть в бильярд ровно также, как делали бы это в покоящемся помещении на земле. Бильярдные шары будут взаимодействовать друг с другом почти так, как взаимодействуют абсолютно упругие тела, их направления и величины скорости движения на бильярдном столе будут главным образом зависеть от импульсов в вектором смысле до соударения, при этом равномерное движение поезда на них никак не будет отражаться, то есть мы можем на плоскости бильярдного стола ввести систему координат, привязавшись к одному из его углов и полноценно делать наши эксперименты по соударению бильярдных шаров. На самом деле, конечно, такого поезда не существует, на практике постоянно происходит то изменение величины, то направления скорости. И принцип относительности Галилея не распространяется на неинерциальные системы отсчета, которой становится система отсчета, связанная с нашим бильярдным столом, при торможении поезда. Как только машинист поезда начнет снижать его скорость, мы вдруг заметим что-то "странное", до сих пор не наблюдаемое с нашими шариками, они начнут ускоряться в системе отсчета, связанной с бильрдным столом, даже если мы не будет ударять по ним кием. Так может происходить в неинерциальных системах отсчета и принцип относительности Галилея на них не распространяется.
Принцип относительности Галилея хорошо отражен в окружающей нас действительности, но нарушается в случае больших скоростей, чем больше скорости относительно наблюдателя, тем сильнее нарушается принцип относительности Галилея. Один и тот же опыт с бильярдным столом для человека на перроне будет выглядеть совсем не также, как для эксперементаторов в вагоне. И простым линейным пересчетом всех векторов скоростей обойтись не получается. Строго говоря, нарушается принцип относительности Галилея для движущихся относительно наблюдателя систем отсчета всегда, просто на маленьких скоростях это незаметно. То есть принцип относительности Галилея является некоторым упрощенным описанием происходящего, упрощения тоже полезны, ведь нет смысла описывать движение наземного транспорта какими-то более сложными законами, если погрешность, заложенная в модели, не превышает погрешности измерений скоростей реальных транспортных средств.
Опыт Майкельсона — Морли в 1887 году показал конечность скорости света и изотропность пространства по отношению к свету (скорость света не зависит от направления). Скорость света даже не зависит от орбитального движения Земли вокруг Солнца. Отсюда возникает парадокс, состоящий, в частности, в том, что скорость света будет одинаковой, как относительно равномерно движущегося относительно нас источника света, так и относительно нас (покоящихся наблюдателей). Так возникла необходимость пересмотреть основы существующей тогда теории. Не только принцип относительности Галилея получается несправедливым на больших скоростях, но и второй закон Ньютона в виде F=ma (жирным шрифтом в формулах буду выделять вектора). Поскольку записанный в таком виде второй закон Ньютона подразумевает под собой возможность неограниченного увеличения скорости тела относительно наблюдателя (за счет ускорения, полученного за счет действия силы). Второй закон Ньютона можно еще записать через производную импульса следующим образом: F=dp/dt. В такой записи он связывает действие силы с изменением импульса, а не с ускорением тела. Но гораздо более примечательно то, что в таком виде он становится более общеприменимым. Вспомним, что импульс p=mv и подставим это выражение во второй вариант записи второго закона Ньютона: F=d(mv)/dt. Здесь, предполагая массу константой, можно вынести m за дифференциал и получить сразу первый вариант записи второго закона Ньютона. Но что если масса не является константой? Тогда вынести ее из-под дифференциала нельзя и нужно сначала записать ее с учетом зависимости от скорости относительно наблюдателя. К удивительному результату (более точному описанию движения тел на больших скоростяхотносительно наблюдателя) приводит предположение, что масса должна быть записана в виде m=m0/√(1-v^2/c^2). Здесь должен заметить, что можно по-разному интерпретировать этот множитель 1/√(1-v^2/c^2), можно считать все же массу постоянной и считать, что формула для импульса должна содержать этот множитель (все равно тогда дифференциал в формуле для силы через производную импульса будет раскрываться с учетом поправки 1/√(1-v^2/c^2)), а можно массу считать непостоянной, тогда формула для импульса остается неизменной. Если оставлять массу постоянной, нужно еще формулу для энергии скорректировать аналогичным образом. Однако для описания движения тел с большой скоростью относительно наблюдателя не важно, куда мы мысленно примкнули множитель. Мне понравилась статья "Так зависит масса от скорости или нет?" автора @velikiy_shizik об этом вопросе. В этой статье приведены основные формулы специальной теории относительности для импульса, энергии и их связи.
Специальная теория относительности, представленная Альбертом Эйнштейном в работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел», позволила описать ряд особенностей движения тел на больших скоростях, которые не могли быть описаны классическими на том момень представлениями. При этом классическая теория получается очень просто в предположении малых относительно скорости света скоростей относительно наблюдателя, то есть является частным случаем специальной теории относительности.
p. s. Чтобы сразу увидеть новый материал в моем блоге в своей ленте, подписывайтесь! Буду рад комментариям, вопросам, предложениям.
