Введение

Две взаимосвязанные физические теории Альберта Эйнштейна
научная концепция

Теория относительности обычно охватывает две взаимосвязанные физические теории Альберта Эйнштейна: специальную теорию относительности и общую теорию относительности, предложенные и опубликованные в 1905 и 1915 годах соответственно. Специальная теория относительности применима ко всем физическим явлениям при отсутствии гравитации. Общая теория относительности объясняет закон всемирного тяготения и его связь с другими силами природы.

Разработка и принятие

Альберт Эйнштейн опубликовал теорию специальной относительности в 1905 году, основываясь на многочисленных теоретических результатах и эмпирических данных, полученных Альбертом А. Микельсоном, Хендриком Лоренцем, Анри Пуанкаре и другими. Макс Планк, Герман Минковский и другие внесли дальнейший вклад в её развитие. Эйнштейн разрабатывал общую теорию относительности в период с 1907 по 1915 год, и после 1915 года в её развитие вносились другие исследователи. Окончательная формулировка общей теории относительности была опубликована в 1916 году. К 1920-м годам физическое сообщество осознало и приняло специальную теорию относительности. Она быстро стала важным и необходимым инструментом для теоретиков и экспериментаторов в новых областях атомной физики, ядерной физики и квантовой механики. В отличие от неё, общая теория относительности поначалу не казалась столь полезной, за исключением внесения незначительных поправок в предсказания ньютоновской теории гравитации. Характерной чертой специальной теории относительности является замена преобразований Галилея классической механики преобразованиями Лоренца. (См. уравнения Максвелла электромагнетизма.)

Экспериментальные данные

Эйнштейн утверждал, что теория относительности принадлежит к классу "принципиальных теорий". Следовательно, она использует аналитический метод, что означает, что элементы этой теории основываются не на гипотезах, а на эмпирических открытиях. Наблюдая за природными процессами, мы постигаем их общие характеристики, разрабатываем математические модели для описания наблюдаемого и посредством аналитических методов выводим необходимые условия, которым эти процессы должны удовлетворять. Измерения отдельных событий должны соответствовать этим условиям и подтверждать выводы теории.

Испытания специальной теории относительности

Относительность – это фальсифицируемая теория: она делает предсказания, которые могут быть проверены экспериментом. В случае специальной теории относительности, к ним относятся принцип относительности, постоянство скорости света и замедление времени. Предсказания специальной теории относительности были подтверждены многочисленными тестами с тех пор, как Эйнштейн опубликовал свою работу в 1905 году, но три эксперимента, проведенные в период с 1881 по 1938 год, имели решающее значение для её подтверждения. Это эксперимент Майкельсона – Морли, эксперимент Кеннеди – Торндайка и эксперимент Айвса – Стилвелла. Эйнштейн вывел преобразования Лоренца из первых принципов в 1905 году, но эти три эксперимента позволяют вывести эти преобразования из экспериментальных данных. Уравнения Максвелла – основа классического электромагнетизма – описывают свет как волну, движущуюся с определенной скоростью. Современная точка зрения заключается в том, что свет не нуждается в среде распространения, но Максвелл и его современники были убеждены, что световые волны распространяются в среде, подобно тому, как звук распространяется в воздухе, а волны – на поверхности пруда. Эта гипотетическая среда называлась светоносным эфиром, который покоился относительно «неподвижных звезд» и через который движется Земля. Гипотеза частичного увлечения эфиром Френеля исключала возможность измерения эффектов первого порядка (v/c), и хотя наблюдения эффектов второго порядка (v²/c²) были принципиально возможны, Максвелл считал их слишком малыми для обнаружения с использованием доступных в то время технологий. Эксперимент Майкельсона – Морли был разработан для обнаружения эффектов второго порядка «эфирного ветра» – движения эфира относительно Земли. Микельсон разработал для этого прибор, называемый интерферометром Майкельсона. Аппарат был достаточно точным для обнаружения ожидаемых эффектов, но первый эксперимент, проведенный в 1881 году, а затем повторенный в 1887 году, дал нулевой результат. Несмотря на то, что обнаружить эфирный ветер не удалось, результаты были приняты научным сообществом. Это стало происхождением сокращения Фицджеральда – Лоренца, гипотеза, не имевшая теоретического обоснования. Интерпретация нулевого результата эксперимента Майкельсона – Морли заключается в том, что время прохождения света в обе стороны изотропно (не зависит от направления), но одного этого результата недостаточно для опровержения теории эфира или подтверждения предсказаний специальной теории относительности. В то время как эксперимент Майкельсона – Морли показал, что скорость света изотропна, он ничего не сказал о том, как изменяется величина скорости (если вообще изменяется) в различных инерциальных системах отсчета. Эксперимент Кеннеди – Торндайка был разработан для этого и впервые был проведен в 1932 году Роем Кеннеди и Эдвардом Торндайком. Они также получили нулевой результат и заключили, что «эффект отсутствует, если скорость Солнечной системы в пространстве не превышает примерно половины скорости Земли по её орбите». Эта возможность казалась слишком случайной, чтобы быть приемлемым объяснением, поэтому из нулевого результата их эксперимента было сделано заключение, что время прохождения света в обе стороны одинаково во всех инерциальных системах отсчета, и с большей точностью в 1941 году. Он был разработан для проверки поперечного эффекта Доплера – красного смещения света от движущегося источника в направлении, перпендикулярном его скорости, которое Эйнштейн предсказал в 1905 году. Стратегия заключалась в сравнении наблюдаемых доплеровских сдвигов с предсказаниями классической теории и поиске поправки, связанной с коэффициентом Лоренца. Такая поправка была обнаружена, из чего было сделано заключение, что частота движущихся атомных часов изменяется в соответствии со специальной теорией относительности. Это также справедливо для высокоточных измерений времени. Приборы, начиная от электронных микроскопов и заканчивая ускорителями частиц, не работали бы, если бы релятивистские соображения были проигнорированы.