Теория относительности — научная теория, объясняющая устройство нашего мира на макроуровне, объединяющая механику, электродинамику и гравитацию. Собственно термин «Теория относительности» ввёл немецкий физик Макс Планк. Внедрена в научные круги расовым не

Предыстория вопроса.
На рубеже XIX и XX веков в среде физиков царило нарастающее уныние. Научные руководители на полном серьёзе рекомендовали своим студентам не связывать карьеру с физикой, а отправляться на юрфак, ибо почти все законы уже были вроде бы открыты, и лет через 20—30, когда последние нюансы разрешатся, кормиться на ниве физики будет уже нечем. Кафедры физики позакрывают, а их бывшим научным сотрудникам раздадут мётлы для подметания коридоров юрфака. Это, например, упоминается в биографии Макса Планка.
Одним из таких не до конца ещё выясненных нюансов был вопрос: как скрестить механику Ньютона с уравнениями Максвелла (электродинамикой).

Источник проблемы.
Внезапно была обнаружена нестыковка двух областей физики: проверенной временем и практикой механики Ньютона и сравнительно молодой науки электродинамики (в том числе описывающей распространение электромагнитных волн). Вот это распространение волн описывалось уравнениями Максвелла, которые тоже были многократно проверены экспериментом и сомнений не вызывали. Тогда уже было известно, что свет — это тоже электромагнитная волна, и, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Но вот попытка поместить на движущийся поезд фонарик и посчитать, с какой там скоростью будет распространяться свет этого фонарика, заканчивалась неудачей и когнитивным диссонансом. В механике Ньютона скорости поезда и света надо было бы складывать, но уравнения Максвелла такого финта ушами описать не могли, а попытки их допилить, чтобы подстроить под такую ситуацию, лажали. Например, если лететь вдогонку за светом с такой же скоростью — со скоростью света, — то этот свет по уравнениям Максвелла… исчезал. Совершенно неотличимая ситуация становилась от того, как если бы никакого света и не было.

Всё дело в эфире!
Уравнения Максвелла, описывающие распространение света, были волновыми. Изменение электрического поля порождает изменение магнитного, а изменение магнитного — порождает изменение электрического — побежала волна. Если же лететь за такой волной на её скорости, складывалась странная ситуация — изменения полей (в пространстве относительно наблюдателя) нет, а поля неподвижно зависли в пространстве, ничем не подкрепленные физически, что невозможно повторить в опыте. Замечено однако, что для распространения волны необходима среда, которая будет передавать колебания. Так, для распространения акустической волны (то есть звука) нужен, например, воздух. Брошенный в воду камень создаёт на её поверхности волны. Ну так может и электромагнитная волна распространяется в какой-то специфической среде Вот это чудо-вещество и было названо эфиром. Эфир был одной из моделей, предназначенной сперва для описания электродинамики, а позднее — и гравитации, Менделеев пытался прикрутить эфир к объяснению периодического закона.
В наиболее простых моделях считалось, что эфир и вещество — различные вещи, и первый не оказывает материи никакого сопротивления. Такую идею продвигал, к примеру, Больцман. Но подобный подход порождал проблемы: если эфир — идеальная жидкость, а частицы — идеальные шарики, то силы трения, которые отвечали за создание магнитного поля, исчезали, в противном случае возникало лобовое трение частиц об эфир. Магнитное поле вроде бы наблюдалось, и поэтому учёные сделали вывод: раз эфир у нас живёт сам по себе, то, двигаясь вместе с Землей, мы должны тереться об эфир. А поскольку этого трения не было заметно, ему требовалось приписать волшебные свойства — эфир должен одновременно быть и абсолютно плотным для проведения электромагнитных волн, и абсолютно разреженным во избежание энергетических потерь.
Из эфирной трактовки также следует, что если наша Земля двигается мимо эфира, то весь свет на Земле должен «сноситься встречным потоком». По-научному это называется анизотропией скорости света, и ученые решили искать ветер ничуть не сомневаясь в успехе операции. В итоге товарищи Майкельсон и Морли ставят опыт и не находят искомого эффекта. То есть что-то они там намерили, но в 6 раз слабее и не в том направлении. Научное сообщество стало думать, как жить с этим знанием. А от теории эфира остались такие понятия, как «напряжённость» и «ток» в электродинамике, и бытовое: «В эфире радиостанция „Маяк“»

Эйнштейн.
«Да что же всё-таки происходит» — опять спросили себя физики и принялись думать дальше.
Особенно далеко в размышлениях продвинулись два товарища: вышеупомянутый Лоренц, чьи формулы представляли собой попытку объяснения необнаружения эфира в предположении, что движение вещества в эфире порождает изменения в самом веществе, делающие обнаружение анизотропии света невозможным и Пуанкаре. Выводы теории относительности во многом совпадают с формулами, полученными в их работах, хотя авторы и основывались на других предпосылках. Однако Эйнштейн, проявив недюжинную гибкость ума и широту сознания, не останавливаясь даже в тех местах, где обычный порошок не справляется, и другой теоретик уже давно бы зачеркнул все труды, выбросив их в унитаз, предложил альтернативную трактовку формул, подойдя к проблеме с другого конца.
Обычно физики ставили механику Ньютона на более приоритетное место и стремились подогнать уравнения Максвелла под неё. Но Эйнштейн пошел от противного: по-настоящему верны именно уравнения Максвелла, и это механика Ньютона требует доработки!
Мозголомка началась.

Специальная теория относительности.
Постулаты Специальной теории относительности.
Что значит «по-настоящему верны именно уравнения Максвелла» Сие означает, что в любой инерциальной системе отсчёта законы электродинамики (а не только как у Галилея механики) неизменны, а потому и уравнения не меняют свой вид (инвариантны). Из формул преобразования при переходе между такими системами, в свою очередь, при допущении равноправности всех точек нашей необъятной вселенной и всех направлений, следует вывод, что скорость света во всех таких системах отсчёта одинакова.
Небольшое пояснение: инерциальные системы отсчёта (ИСО) — это системы отсчёта, в которых точечное тело, на которое не действуют никакие силы, сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Умнее говоря, ИСО — это системы отсчёта, в которых выполняются законы Ньютона. Постулаты СТО формулируются именно для таких систем, как, впрочем, и второй, и третий законы Ньютона в ньютоновой же механике, ничего нового Эйнштейн тут не изобрёл.
Если кто не уловил тонкости вопроса: сложение скоростей по Галилею, использовавшееся в ньютоновой механике, пошло котэ под хвост. Один и тот же лучик света, испущенный фонариком на поезде, будет двигаться с одной и той же скоростью как относительно движущегося поезда, так и относительно неподвижного перрона. То есть, для перрона он будет улетать со скоростью света. И для поезда он тоже будет улетать ровно с той же скоростью света. И для фонарика. И для поезда. Одна и та же скорость. Даже если они двигаются друг относительно друга!!!
Собственно постулатов 3 штуки:
Принцип относительности Эйнштейна: все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, и всё равно, неподвижна ли эта система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Существует предельная (максимальная) скорость распространения взаимодействий.
Пространство и время однородны, пространство является изотропным.
Первый постулат, казалось бы, спизжен у Галилея, но там речь шла сугубо о механике Ньютона, а не о всех физических процессах. На самом деле ничего, кроме механики Ньютона, тогда и не было, а потому речь шла именно о всех физических процессах, то есть правильней было бы говорить «принцип относительности Галилея», благо у Эйнштейна и своих заслуг хватает. По-настоящему важным является именно второй постулат. Из него, собственно, всё и выводится. Некоторые дебатировали, что второй постулат кагбэ прямо следует из первого, ежели принять уравнения Максвелла за аксиому, и этого постулата писать специально не надо. Но потом решили не уподобляться Ландафшицу, который при написании своих учебников периодически терял 3-6 страниц выкладок в трамвае, и вместо них писал «далее легко видеть, что…»; и записать второй постулат явным образом во избежание излишнего срача. Кстати, из второго постулата также следует невозможность движения материальных тел со скоростью, превышающей предельную, а для массивных тел — невозможность двигаться ровно с предельной скоростью, только меньше.
Третий постулат (обычно неявно) используется при выводе преобразования Лоренца, кроме того, он имеется и в механике Ньютона. Как следствия, из него выводятся законы сохранения импульса, энергии и момента импульса.
Если сесть за стол с листочком бумаги и карандашом, взять тот же опыт с поездом и фонариком и начать разлиновывать бумажку согласно второму постулату, то получается ну просто полная хуйня. Получается, что время одного и того же процесса, вычисленное по формулам в ИСО перрона и в ИСО поезда, разное. Время. Разное. Совсем. Время. Для стоячего и движущегося. Разное. Нестыковочка!
«Так может, на самом деле время разное» — неожиданно подумал Эйнштейн, и оказался чертовски прав. Но сколько же ему надо было выкурить травы, чтобы пустить мысль по этому направлению — это история умалчивает (однако, фраза «Воображение важнее знания», приписываемая Эйнштейну, какбэ намекает).

Относительность одновременности. Преобразования Лоренца.
Итак, одним из важных выводов, следующих из такого странного поведения света, вернее, его скорости, было то, что события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, будут не одновременными в другой, если эти системы отсчёта относительно друг друга движутся.
Другой бы учёный на этом этапе порвал бы свои листочки с чертежами на лоскуты, но Эйнштейн продолжал скрупулёзно выводить формулы.
Итогом стали формулы по пересчёту координат, как временны́х, так и пространственных, из одной системы отсчёта в другую, которые сейчас называются преобразованиями Лоренца. Дело в том, что Лоренц вывел их ещё до Эйнштейна, но использовал, чтобы устранить противоречия между электродинамикой и Ньютоновской механикой. Выходили забавные вещи: как пространство, так и время в разных системах отсчёта (если они двигаются относительно друг друга), выглядят по-разному. Причём в формулах пересчёта пространственные координаты зависят от временны́х, а временны́е — от пространственных. Возникла зависимость «пространства от времени» и причина говорить, что время и пространство неразделимы и составляют единый пространственно-временной континуум. Наиболее известные эффекты, выводимые из преобразований Лоренца, таковы:
Сокращение размеров, или лоренцево сокращение. Если бы мимо нас летела ракета, то её размеры, будучи измеренными в нашей неподвижной СО, сократились бы вдоль вектора скорости по сравнению с измеренными размерами ракеты, находящейся в состоянии покоя, и тем сильнее, чем быстрее она летит относительно нас. В пределе, если бы ракета летела со скоростью света, её длина стала бы нулевой.
Замедление времени. Временные интервалы между событиями с нашей точки зрения будут длиннее, чем были бы интервалы между теми же самыми событиями, измеренными в движущейся ракете, и тем длиннее, чем ближе её скорость к скорости света. В пределе — если бы ракета летела со скоростью света, нам бы казалось, что время в ней совсем остановилось.
Если кто-то подумает, что из ракеты мы будем при таких пертурбациях выглядеть удлинённо и со спешащими часами — то это неверно. В силу относительности движения для ракеты (а она летела прямолинейно и без ускорения) это мы движемся, а она покоится, так что наблюдатель в ней будет видеть нас укороченными и с замедленными часами.
Эти эффекты наиболее известны, но не составляют полной картины. Полная картина — сами преобразования Лоренца. Попытки рассматривать некоторые эксперименты на основании только этих эффектов зачастую приводят к парадоксам. Многие критики СТО обламываются именно на этом моменте.

Скорость света и причинно-следственность.
Ещё одним следствием преобразований Лоренца является то, что при движении со скоростью больше скорости света временные отрезки измеряются в мнимых временных единицах, что, с точки зрения механики Ньютона, лишено какого-либо физического смысла. С этим даже обкуренный мозг Эйнштейна спорить не стал, и последовал вывод: двигаться в вакууме со скоростью больше световой нельзя. Из СТО следует невозможность для тела, обладающего массой, достичь скорости света. А из принципа причинности — невозможность тахионов (частиц, якобы летающих быстрее света) взаимодействовать с досветовыми объектами.
Так скорость света в вакууме стала не только инвариантной (одинаковой для одного и того же пучка света во всех системах отсчёта), но и максимально возможной скоростью чего бы то ни было вообще. В механике Эйнштейна этому соответствует простой факт: чтобы разогнать массивное тело до скорости света, нужно затратить бесконечное количество энергии, что, разумеется, невозможно.
Двигаться со скоростью большей, чем скорость света в некой среде, возможно. Педивикия расскажет об этом. Однако свет там двигается медленее света в вакууме, так что всё пучком.
Недавно появилась публикация коллаборационистов OPERA, в которой они мамой клялись, что нейтрино статистически достоверно превысили скорость света на 0,0025%, они зафиксировали опережение в 60 наносекунд и что они всё-всё учли. Другие учёные смотрят на этот результат как на говно: впоследствии обнаружились различные ошибки, которые могли быть как подтверждением существования магии, так и нет, но позже серия экспериментов по измерению скорости нейтрино подтвердила верность СТО в классической её форме. Фок йеа.

E=mc²
Древняя как мир формула E=mc². В классической механике — прямое следствие уравнения Мещерского для тела, излучающего частицы со скоростью света. Как и любой велосипед, была кем только ни открыта: Оливером Хевисайдом (1889; ЧСХ, он получил великую формулу как побочный результат сведения системы 22 уравнений Максвелла в векторную форму, которую изучает каждый студент, но, снова СХ, посчитал её дефектом математики, а не окружающего мира), Толвером Престоном (1895), Кельвином (1903), Олинто де-Претто (1903), Анри Пуанкаре (1904), Фритцем Хазенорлом (1904, ошибся коэффициентом), Максом Планком (1907). Но мы ведь не ищем простых путей.
Формулы традиционной до того механики Ньютона потребовали полного пересмотра в теории относительности. Одна из таких формул — формула кинетической энергии тела. Напоминание для подзабывших школьную программу: кинетическая энергия летящего куска массы — это работа, которую надо затратить, чтобы разогнать данную массу из неподвижного состояния до той скорости, с которой она летит. А работа — это произведение перемещения на силу и на косинус угла между направлением движения тела и приложенной к нему силой, трам-парам, интегрируя и дифференцируя, Ньютон получил широко известное эм-вэ-квадрат-пополам (Ek=mv²/2).
Идя по тому же пути, Эйнштейн интегрировать и дифференцировать не стал, а вместо этого разложил в ряд по степеням «v» и получил в итоговой формуле для кинетической энергии в релятивистской механике, что она состоит из разности двух величин: членика, зависящего от скорости (и обнуляющегося при скорости равной нулю), и членика, не зависящего от скорости и равного всегда mc². Должно быть, уже понятно, что такая хуйня, как какой-то там членик в уравнении, не могла остановить Эйнштейна, и он сделал вывод, что даже на то, чтобы тело покоилось, ну то есть просто на абсолютно покоящееся тело, уже надо затратить энергию E0=mc², и ввел понятие полной энергии тела E=Ek+E0. Волшебным образом выражение релятивистского импульса через полную энергию из многоэтажного мата агрегата схлопнулось в красивую формулу. #Лурк_классический #lm