Классическая физика придерживается мнения, что любые наблюдатели, независимо от места нахождения, будут получать одни и те же результаты в своих измерениях времени и протяженности. Принцип относительности гласит, что наблюдатели могут получать разные результаты, а подобные искажения носят название "релятивистские эффекты". При приближении к скорости света ньютоновская физика отходит в сторону.
Скорость света
Ученый А. Майкельсон, проводивший в 1881 году измерения скорости света, понял, что эти результаты не будут зависеть от скорости, с которой движется источник излучения. Совместно с Э.В. Морли Майкельсон в 1887 году провел еще один эксперимент, после которого всему миру стало ясно: неважно, в каком направлении проводится измерение, скорость света везде и всегда одинакова. Результаты этих исследований шли вразрез с представлениями физики того времени, ведь если свет движется в определенной среде (эфире), а планета движется в этой же среде, измерения в разных направлениях никак не могут быть одинаковыми.
Позже французский математик, физик и астроном Жюль Анри Пуанкаре стал одним из основоположников теории относительности. Он развивал теорию Лоренца, согласно которой существующий эфир неподвижен, поэтому скорость света относительно него не зависит от скорости источника. В движущихся системах отсчета выполняются преобразования Лоренца, а не галилеевы (преобразования Галилея, принятые до тех пор в ньютоновской механике). Отныне галилеевы преобразования стали частным случаем преобразований Лоренца, при переходе в другую инерциальную систему отсчета при малой (по сравнению со скоростью света) скорости.
Упразднение эфира
Релятивистский эффект сокращения длины, называемый так же Лоренцевым сокращением, состоит в том, что для наблюдателя предметы, движущиеся относительно него, будут обладать меньшей длиной.
Существенный вклад в теорию относительности внес Альберт Эйнштейн. Он полностью упразднил такой термин как "эфир", до этого времени присутствавший в рассуждениях и расчетах всех физиков, а все понятия о свойствах пространства и времени он переложил в кинематику.
После того, как в свет вышли работы Эйнштейна, Пуанкаре не только прекратил писать научные работы на эту тему, но и вообще не упоминал имени своего коллеги ни в одной из своих работ, исключая единственный случай ссылки на теорию фотоэффекта. Пуанкаре продолжил обсуждать свойства эфира, категорически отрицая любые публикации Эйнштейна, хотя при этом к самому великому ученому относился с уважением и даже дал ему блестящую характеристику, когда администрация Высшего политехнического училища в Цюрихе хотела пригласить Эйнштейна стать профессором учебного заведения.
Теория относительности
Даже многие из тех, кто совершенно не в ладах с физикой и математикой, хотя бы в общих чертах представляет, что такое теория относительности, ведь это, возможно, самая знаменитая из научных теорий. Ее постулаты рушат обыденные представления о времени и пространстве, и хотя все школьники изучают теорию относительности, но чтобы понять ее во всей полноте недостаточно просто знать формулы.
Эффект замедления времени проверили на эксперименте со сверхзвуковым самолетом. Точные атомные часы, находящиеся на его борту, после возвращения стали отставать на доли секунды. Если имеется два наблюдателя, один из которых стоит на месте, а второй движется с некоторой скоростью относительно первого, время у наблюдателя, который неподвижен, будет идти быстрее, а для движущегося объекта минута будет длиться чуть дольше. Однако если движущийся наблюдатель решит вернуться и сверить время, окажется, что его часы показывают немного меньше, чем первые. То есть, пройдя гораздо большее расстояние по шкале пространства, он "прожил" меньше времени, пока двигался.
Релятивистские эффекты в жизни
Многие считают, что наблюдать релятивистские эффекты можно только при достижении скорости света или при приближении к ней, и это действительно так, однако наблюдать их можно, не только разогнав свой космический корабль. На страницах научного журнала Physical Review Letters можно прочитать о теоретической работе шведских ученых. Они писали о том, что релятивистские эффекты присутствуют даже в просто аккумуляторе для автомобиля. Процесс возможен благодаря быстрому движению электронов атомов свинца (к слову, именно они есть причина большей части напряжения в клеммах). Это также объясняет, почему, несмотря на схожесть свинца и олова, аккумуляторы на основе олова не работают.
Необычные металлы
Скорость вращения электронов в атомах довольно невысока, поэтому и теория относительности просто не работает, однако есть некоторые исключения. Если продвигаться все дальше и дальше по таблице Менделеева, становится понятно, что в ней довольно много элементов тяжелее свинца. Большая масса ядер уравновешивается за счет повышения скорости движения электронов, причем она может даже приближаться к световой.
Если рассмотреть этот аспект со стороны теории относительности, то становится ясно, что у электронов в таком случае должна быть огромная масса. Только так можно сохранить угловой момент, но орбиталь будет сжиматься по радиусу, и это действительно наблюдается в атомах тяжелых металлов, а вот орбитали "медленных" электронов не изменяются. Этот релятивистский эффект наблюдается в атомах некоторых металлов на s-орбиталях, имеющих правильную, сферически симметричную форму. Считается, что именно в результате действия теории относительности ртуть имеет жидкое агрегатное состояние при комнатной температуре.
Космические путешествия
Объекты в космосе находятся друг от друга на огромных расстояниях, и даже при движении со скоростью света потребуется очень много времени, чтобы преодолеть их. Например, чтобы добраться до Альфы Центавра - ближайшей к нам звезды, космическому кораблю, имеющему скорость света, потребуется четыре года, а чтобы достичь соседней с нами галактики - Большого Магелланова Облака - потребуется 160 тысяч лет.
Слетать до Альфы Центавра и обратно еще можно, ведь потребуется всего восемь лет, а для обитателей корабля, ощущающих эффект замедления времени, этот срок будет гораздо меньше, однако по возвращении из путешествия в соседнюю галактику космонавты обнаружат, что на родной планете прошло уже триста двадцать тысяч лет, и человеческая цивилизация, возможно, уже давно перестала существовать. Таким образом, релятивистские эффекты позволяют людям перемещаться во времени. Это считается одной из главных проблем покорения космоса, ведь какой смысл покорять космические пространства, если не будет возможности вернуться?
Другие действия
Помимо знаменитого замедления времени, существует и релятивистский эффект Доплера, согласно которому в случае, если источник волн начнет движение, то волны, распространяемые в сторону этого движения, будут восприниматься наблюдателем как "сжатые", а в сторону удаления длина волн будет увеличенной.
Подобное явление характерно для любых волн, поэтому его можно наблюдать на примере звука в обыденной жизни. Сокращение звуковой волны воспринимается человеческим ухом как повышение тона. Поэтому, когда сигнал поезда или автомобиля слышится издалека, он ниже, а если поезд будет ехать мимо наблюдателя, издавая при этом звук, то высота его будет выше в момент приближения, но как только объекты поравняются, и поезд начнет удаляться, тон резко станет ниже и далее будет продолжаться на более низких нотах.
Эти релятивистские эффекты обусловлены классическим аналогом изменения частоты при движении приемника и источника, а также релятивистским замедлением времени.
О магнетизме
Помимо всего прочего, современные физики все чаще обсуждают магнитное поле как релятивистский эффект. Согласно этой трактовке, магнитное поле не является самостоятельной физической материальной сущностью, оно даже не одна из форм проявлений электромагнитного поля. Магнитное поле с точки зрения теории относительности - всего лишь процесс, который возникает в пространстве вокруг точечных зарядов из-за передачи электрического поля.
Приверженцы этой теории считают, что если бы С (скорость света в вакууме) была бесконечной, то распространение взаимодействий по скорости тоже оказалось бы неограниченным, а вследствие этого не могло возникнуть никаких проявлений магнетизма.
