От Галилея до Максвелла
В 1632 году Галилео Галилей выдвинул принцип, утверждающий эквивалентность различных инерциальных систем отсчёта. Он сыграл важную роль как в классической механике, так и в специальной теории относительности. Преобразования, связывающие результаты наблюдений относительно двух инерциальных систем отсчёта, получили название преобразования Галилея.
Инерциальная система отсчёта — это система, в которой справедлив закон инерции: материальная точка находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если на неё не действуют никакие силы или действуют взаимно уравновешенные силы. Всякая система отсчёта, движущаяся поступательно, равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы, также является инерциальной.
Галилей, по-видимому, впервые предпринял также попытку измерить скорость света при помощи наземных экспериментов. Однако удалось это сделать только Олафу Рёмеру в 1676 году. Наблюдая изменение периода обращения спутника Юпитера «Ио» в зависимости от взаимного расположения Земли и Юпитера, Рёмер объяснил его конечностью скорости распространения светового сигнала и смог оценить эту скорость. В метрической системе результат измерений Рёмера соответствует 214 300 км/с. Спустя 50 лет, в 1727 году, похожий результат получил Джеймс Брэдли, наблюдая аберрацию звёзд (изменение их видимого положения) при движении Земли вокруг Солнца.
Скорость света в вакууме составляет примерно 300 тысяч километров в секунду или 3*10^8 м/с.
Параллельно с экспериментами по измерению скорости света происходили размышления относительно природы света. Огюстен Френель, основываясь на волновой теории, в 1818 году успешно объяснил явление дифракции.
Дифракция — это явление, проявляющееся при распространении волн (световых, звуковых и т. п.) и заключающееся в отклонении от законов геометрической оптики.
Джеймс Клерк Максвелл, обобщая экспериментальные открытия Эрстеда, Ампера и Фарадея в 1864 году записал систему уравнений, описывающих эволюцию электромагнитного поля. Из уравнений Максвелла следовало, что в пустом пространстве электромагнитные волны распространяются со скоростью света. На основании этого была выдвинута гипотеза о волновой, электромагнитной природе света.
Специальная теория относительности
Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Джеймса Максвелла, описывающие все проявления электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.
Специальная теория относительности (СТО; также называемая частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света.
Основным отличием СТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости. Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, — релятивистскими скоростями.
СТО меняет наше представление о пространстве и времени и приводит к ряду необычных и парадоксальных следствий. Например, сокращение длины тела, замедление времени для движущихся тел и относительность одновременности. Эти эффекты становятся заметными при движении тел со скоростями, близкими к скорости света. СТО важна для понимания и объяснения ряда явлений в физике и астрофизике, таких как космические путешествия и эксперименты на ускорителях частиц.
Специальная теория относительности была разработана в конце XIX - начале ХХ-го века усилиями Гендрика Лоренца, Анри Пуанкаре, Джеймса Лармора и Альберта Эйнштейна, и затем представлена Германом Минковским в четырёхмерном формализме, объединяющем пространство и время.
Общая теория относительности
Больше ста лет назад, в начале декабря 1915 года, Эйнштейн направил в печать работу, в которой были получены правильные уравнения гравитационного поля, тем самым было закончено создание общей теории относительности. Он работал над этой теорией 10 лет.
Общая теория относительности (ОТО) — это физическая теория, которая рассматривает гравитацию не как силу, действующую между материальными точками, а как следствие искривления пространства-времени массивными телами. В этой теории гравитация описывается как геометрический эффект, связанный с кривизной пространства-времени, и предсказывает ряд эффектов, таких как отклонение света вблизи массивных тел и замедление времени в гравитационном поле.
Эйнштейн, когда создавал специальную теорию относительности, нашел физический принцип и, благодаря этому физическому принципу, построил специальную теорию относительности. Для построения общей теории относительности он тоже искал физический принцип, а не пытался механически обобщить ньютоновскую теорию гравитации. В 1907 году Эйнштейн нашел такой принцип, который получил название принципа эквивалентности. Эйнштейн обратил внимание, что гравитационное поле очень похоже на силы инерции, возникающие в так называемых неинерциальных системах — это системы, которые движутся с ускорением.
Силы инерции очень похожи на гравитационные силы в том смысле, что движение тел в этих системах не зависит от их массы.
Эйнштейн решил положить в основу теории гравитации именно этот принцип эквивалентности. Впервые он об этом написал в 1907 году.
Теория Эйнштейна оказалась правильной. Это проверили довольно быстро. Во-первых, сам Эйнштейн провел вычисления смещения перигелия орбиты Меркурия, которое совпало с экспериментальными данными. А в 1919 году было измерено отклонение световых лучей в поле Солнца, которое оказалось в точности таким, как предсказывает теория Эйнштейна, и в два раза больше, чем предсказывает ньютоновская теория.
Это был триумф теории Эйнштейна, и с тех пор теория Эйнштейна стала рабочей теорией, которая окружает нас в повседневной жизни.
Самый лучший способ поддержать канал и автора, это поставить лайк под этой статьёй и подписаться. Делитесь этой записью с друзьями и возвращайтесь снова. Заранее спасибо!)