Всё равно что смотреть сквозь стены. Теория относительности для чайников

В сентябре 1909 года великий физик впервые представил широкой публике главный труд своей жизни — теорию относительности. Дело было в австрийском Зальцбурге. Спустя 110 лет "АиФ" рассказывает своим читателям о том, чем же крута теория, о которой все знают, но которую мало кто понимает.

Статья по теме

Ученые выявили причину гениальности Эйнштейна

Поверить в это было сложно

Статью, которая стала отправной точкой для разработки теории относительности, Эйнштейн опубликовал ещё в сентябре 1905 года. Правда, тогда она интересовала лишь узкий круг специалистов в области теоретической физики.

Работа называлась «К электродинамике движущихся тел». В ней молодой физик сформулировал постулаты специальной теории относительности, а через 10 лет последовала общая теория, в которой он пересмотрел представления о пространстве и времени (по сути, перевернул их) и предложил новую теорию гравитации взамен ньютоновской. Его идеи практически полностью объясняли пробелы и нестыковки, существовавшие в физике XIX века, но в те годы они были всего лишь гипотезой: требовались эксперименты и исследования, которые бы её подтвердили или опровергли. Неудивительно, что поначалу многие учёные не приняли доводы Эйнштейна — им просто было сложно в них поверить.

В математическом плане работа 1905 года была проста, чем отличалась от работ предшественников Эйнштейна — Пуанкаре и Лоренца. Она сводилась к двум постулатам (или принципам). Первый — принцип относительности, носящий имя самого Эйнштейна. Второй — принцип постоянства скорости света. Первый лаконично можно сформулировать так: законы природы одинаковы во всех системах координат, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга. Второй: луч света в вакууме движется с одинаковой скоростью, независимо от того, испускается он покоящимся или движущимся объектом.

А теперь попробуем объяснить на понятных примерах.

Язык гения. Почему Альберт Эйнштейн так крут? Подробнее

Как стать в три раза худее

Представьте, что у вас есть космический корабль, на носу которого установлена пушка, стреляющая частицами света — фотонами. Вы садитесь в корабль и летите на огромной скорости мимо планеты, на которой, пристально вглядываясь в небо, стоит ваш приятель. Вы заряжаете световую пушку и начинаете стрелять — фотоны улетают от вас со скоростью 300 тыс. км/с. А с какой скоростью они будут лететь мимо вашего приятеля? По логике, со скоростью света, к которой приплюсована скорость космического корабля. То есть быстрее скорости света! Так вот, Эйнштейн предположил (и впоследствии это подтвердилось), что скорость света всегда остаётся неизменной. И ваш приятель, вооружившись секундомером, увидит, что относительно него фотоны пролетают за секунду всё те же 300 тыс. км, будто бы ваш корабль стоит на месте, а не несётся в космическом пространстве.
Это кажется парадоксальным, но это так. И из данного постулата следуют всякие удивительные выводы. Например, что, двигаясь на высоких скоростях, объекты сокращаются в размерах (человек, летящий со скоростью 280 тыс. км/с, станет раза в три худее). Или что в межзвёздном космическом путешествии время для астронавта будет идти медленнее, и он вернётся из него более молодым, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. И даже то, что для разных наблюдателей — подвижного и неподвижного — одни те же события могут происходить в разные моменты времени.

В последующие годы Альберт Эйнштейн совершенствовал собственную теорию, обобщив её для гравитационных полей (потому она и стала называться общей). Он отказался от мысли Ньютона, который считал, что всё пространство заполнено гравитационным полем, определяющим движение небесных тел, и предложил иной подход: гравитация — не физическое явление, а геометрическое. Между полем тяготения и геометрией пространства-времени существует неразрывная связь: чем массивней астрономический объект, тем сильнее его гравитация искривляет пространство и замедляет время. 

Вот ещё одна простая аналогия. Если вы положите на заправленную кровать шар для боулинга, он продавит ровную поверхность покрывала, искривив её. Катнув затем шар поменьше (скажем, бильярдный), вы заметите, что он отклоняется от прямой траектории под воздействием изгибов. Можно ли говорить, что его притягивает более массивный шар? Конечно, нет. Причина в том, что сама поверхность, по которой он катится, стала кривой. Точно так же, согласно мысли Эйнштейна, Земля не притягивается Солнцем, а движется в его сторону в искривлённом трёхмерном пространстве. 

Каким был Альберт Эйнштейн: 15 фактов из жизни великого гения Подробнее

Где находится лифт?

Другой принцип, использованный в знаменитой теории, получил название «принцип эквивалентности». Он говорит нам о том, что ускорение и гравитация по сути одно и то же. И чтобы понять его, вам придётся войти в гипотетический лифт, о котором вы ничего не знаете. Точнее, не знаете, что находится снаружи, за его стенами.

Допустим, вы оказались в лифте в состоянии невесомости. Что это значит? Одно из двух: либо лифт падает под действием гравитации Земли, либо он… находится в космосе. Чтобы выяснить правду, вам придётся выглянуть из кабины.

Можно представить и обратное: вы стоите в лифте, на вас действует сила тяжести. Но вам неясно: то ли лифт неподвижно висит в шахте многоэтажного дома где-то на Земле, то ли он движется с ускорением в космическом пространстве. Обе эти ситуации вы воспримете одинаково, не в силах отличить ускорение от гравитации. Эйнштейн пришёл к выводу, что тела под воздействием гравитации не ускоряются, а движутся равномерно, только в искривлённом пространстве массивных объектов — планет, звёзд и пр. 

Впоследствии теория относительности получила множество экспериментальных подтверждений и привела к грандиозным открытиям в астрофизике. Благодаря ей учёные смогли понять, что такое чёрные дыры, Большой взрыв, замедление времени и многое другое. И даже увидеть объекты далёкого космоса, скрытые за другими объектами. Для астрономов это было всё равно что смотреть сквозь стены.