Что такое теория относительности?

До рождения теории относительности считалось, что свет, будучи волной, нуждается в среде для распространения, и эта среда была известна как эфир. Более того, теория, описывающая световые явления, по-видимому, принимала иную форму, если наблюдатели считались движущимися с определенной скоростью относительно эфира. В 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели эксперимент по измерению скорости движения Земли относительно эфира. Результат показал, что свет распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях по поверхности Земли, что поставило под сомнение само существование эфира. Этот эксперимент озадачивал научное сообщество, пока в 1905 году Эйнштейн не разработал Специальную теорию относительности , которая основана на двух постулатах об инвариантности физических законов — то есть о том, как природа описывается одинаковым образом независимо от того, кто ее наблюдает.

Первый постулат, или принцип относительности, устанавливает, что законы физики (за исключением гравитации на данный момент) совпадают с законами, наблюдаемыми инерциальными наблюдателями, то есть наблюдателями, движущимися с постоянной относительной скоростью. Хотя справедливость законов Ньютона для различных наблюдателей этого типа была известна, если свету требуется среда для распространения, этот эфир можно было бы считать абсолютной системой отсчёта, и световые явления позволили бы нам определить скорость распространения инерциального наблюдателя относительно эфира.

Размышляя о том, что эфир стал ненужным, Эйнштейн пришёл к выводу, что законы электромагнетизма (описывающие свет) должны выполняться и для всех наблюдателей. Более того, второй постулат утверждает, что скорость света в вакууме равна скорости, измеренной любым инерциальным наблюдателем. Это означает, что инерциальный наблюдатель не может двигаться с такой скоростью. Если бы космический корабль двигался со скоростью света относительно другого наблюдателя и испускал импульс света лазером в том же направлении, этот наблюдатель увидел бы, что космический корабль и свет остаются на том же месте, двигаясь с той же скоростью, но с космического корабля он увидел бы, что свет удаляется от него, что является противоречием.

Сочетание этих постулатов приводит к некоторым контринтуитивным результатам. Два события, одновременные для одного наблюдателя, не являются одновременными для другого наблюдателя, движущегося относительно него, потому что время, прошедшее между событиями, увеличивается для движущегося наблюдателя относительно другого наблюдателя, для которого они происходят в том же месте, в то время как длина объектов сокращается для наблюдателя, движущегося относительно объекта. Очевидно, что эти эффекты пренебрежимо малы, когда скорости значительно меньше скорости распространения света, но они радикально меняют наше понимание пространства и времени. Хотя пространственные и временные интервалы могут иметь разные значения в зависимости от того, кто их измеряет, можно определить интервал пространства-времени, который будет одинаковым для всех наблюдателей. Физика происходит в пространстве-времени, которое мы определяем через эти интервалы, и это имеет глубокие последствия.

Но происходит ли вся физика в пространстве-времени? Специальная теория относительности была несовместима с ньютоновским описанием гравитации. Большой концептуальный скачок общей теории относительности , сформулированной Эйнштейном в 1915 году , состоял в понимании того, что гравитация — это не явление, опосредованное другой силой, содержащейся в пространстве-времени, а именно искривление пространства-времени, создаваемое содержащимися в нём массами. Пространство-время превращается из инертной структуры, в которой происходит физика, в самостоятельную физическую величину.

Принципами, лежащими в основе общей теории относительности, являются общий принцип ковариантности и принцип эквивалентности. Первый обобщает принцип относительности, поскольку предполагает эквивалентность законов физики для всех наблюдателей и в присутствии гравитации. Принцип эквивалентности был введен в ньютоновской физике и устанавливает эквивалентность инертной массы, которая измеряет, насколько объект сопротивляется изменению своего движения, и гравитационной массы, которая описывает, как тело воспринимает гравитационное поле. Эта связь является следствием универсальности свободного падения, то есть того, что все тела ускоряются одинаково в присутствии гравитации и в отсутствие других сил.

Однако Эйнштейн пошёл дальше, рассуждая о том, что физика в равномерно ускоренной лаборатории в отсутствие гравитации должна быть такой же, как и физика в другой лаборатории, погружённой в однородное гравитационное поле. Следуя этому рассуждению, можно попытаться понять гравитационные явления в терминах величин, используемых для описания движения в пространстве, что предполагает понимание гравитации как геометрического явления.

Принцип эквивалентности в релятивистской теории имеет несколько формулировок. Так называемый эйнштейновский принцип эквивалентности утверждает, что негравитационные физические явления (и те, которые оказывают пренебрежимо малое влияние на пространство-время) не подвержены влиянию гравитационного поля в малой области пространства и в любой его точке.

Это означает, что в любой точке пространства и в любой момент времени, в пределах достаточно малой области, можно восстановить описание природы, данное специальной теорией относительности. Таким образом, общая теория относительности обобщает специальную теорию относительности при наличии гравитации.

Прадо Мартин Моруно имеет докторскую степень по физике, является исследователем и профессором кафедры теоретической физики Мадридского университета Комплутенсе .

Координация и написание: Виктория Торо .

Вопрос задан Хосе Ортегой Карраскалем .

Nosotras Respondemos — это еженедельная научная консультация, спонсируемая программой L'Oréal-UNESCO «Для женщин в науке» и компанией Bristol Myers Squibb , которая отвечает на вопросы читателей о науке и технологиях. На эти вопросы отвечают учёные и технологи, члены AMIT (Ассоциации женщин-исследователей и технологов). Отправляйте свои вопросы по адресу [email protected] или через хэштег #nosotrasrespondemos.