Принцип относительности

На самом деле пространство отнюдь не абсолютно, и это должно проявляться при движении со скоростями, приближающимися к скорости света. При этом размеры тел оказываются различными, когда их измеряют в разных системах отсчета. И время не абсолютно: что случается одновременно в одной системы отсчета, то оказывается не одновременным в другой системе. И только единое четырехмерное пространство-время имеет абсолютный смысл, будучи инвариантным, то есть одним и тем же во всех системах отсчета. Это стало ясно Эйнштейну в 1905 году, когда он дополнил принцип относительности Галилея утверждением о конечной скорости распространения всех взаимодействий в природе. Предельная скорость распространения взаимодействий равна скорости света в пустоте c, и она одинакова во всех инерциальных системах отсчета, будучи универсальной физической постоянной. Из новой концепции пространства-времени выросла релятивистская механика, заменившая механику Ньютона. Центральным теоретическим и главным практическим следствием механики Эйнштейна стало новое понимание массы и энергии физических тел и их систем. Ньютоновское определение массы как отношения силы к ускорению в ней уже не действует. Такое отношение, как оказывается, может быть различно для одного и того же тела в разных обстоятельствах. Пусть тело движется так, что его скорость меняется только по направлению, но не по величине. В этом случае сила, действующая на тело, направлена перпендикулярно скорости. Это один пример. А в другом -- скорость меняется, наоборот, только по величине, но не по направлению, и сила направлена по скорости. Согласно новой механике, во втором случае отношение силы к ускорению больше, чем в первом. Если в обоих случаях скорость тела составляла, скажем, одну треть от скорости света, то разница будет приблизительно в 13%. Дело, конечно, не в конкретных цифрах; важнее то, что понятие массы в релятивистской физике стало принципиально иным. Оно оказалось богаче внутренним физическим содержанием и новыми глубинными связями. Это прежде всего связи между массой и энергией.

Масса в теории относительности определяется не через силу и ускорение; теперь она определяется энергией тела. При этом масса задается и измеряется в состоянии, когда тело покоится. Если тело массы m находится в покое, то запасенная в нем энергия E равна произведению массы на квадрат скорости света: E = m*c2. Так выглядит эйнштейновское соотношение между энергией покоя и массой тела, самая знаменитая формула науки. Она означает, что даже в состоянии покоя тело обладает определенной энергией, которая целиком обязана его массе. (Заметим в скобках, что хотя формулы теории относительности оставались с самого начала одними и теми же, физики - Планк, Паули, Фейнман и др. - давали массе различные истолкования. Случалось, и сам Эйнштейн менял точку зрения, потом снова возвращался к старому и т.д. Из-за этого в литературе, особенно учебной и популярной, возникла досадная путаница, которая, надо сказать, продолжается и до сих пор. В популярной книге Л.Д. Ландау и Ю.Б. Румера "Что такое теория относительности", которая не раз издавалась, говорится о массе, зависящей от скорости тела, то есть разной в разных системах отсчета; утверждается, что "Результаты опытов полностью подтвердили вытекающую из принципа относительности зависимость массы от скорости". Но массы, зависящей от скорости, нет в книге Эйнштейна "Сущность теории относительности". В нашем изложении мы следуем этой классической книге и классическому учебнику Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица "Теория поля".)