Лекция 8 курса "Альберт Эйнштейн и революции в физике"

Встраивать теорию Максвелла в СТО не было необходимости - она являлась как бы крестной матерью СТО и изначально удовлетворяла ее постулатам. Она была полевой структуры и основана на принципе близкодействия и конечности скорости света. Не так было с теорией тяготения. Она прямо противоречила СТО и должна была быть замененной чем-то. Об этом в 1912 году говорил в своем докладе Макс Абрахам, один из конкурентов Эйнштейна в построении новой теории тяготения. А сам Эйнштейн это понял в 1907 году.
2. В июне 1907 года Эйнштейн подал документы в Бернский университет на получение звания приват-доцента. А в сентябре (еще до получения отказа от философского факультета) Эйнштейн получил предложение от Йоханнеса Штарка, редактора «Ежегодника радиоактивности и электроники» написать обзор по теории относительности (естественно, по СТО, так как об ОТО еще никто не думал). В ноябре Эйнштейн написал Штарку письмо, в котором о гравитации не было ни слова. Но 4 декабря статья была готова, и в ней Эйнштейн впервые говорит о работе над новой теорией гравитации, согласованной с СТО.
3. Назвать в тот момент работу Эйнштейна революционной нельзя, она вполне укладывалась в понятие «нормального течения науки» по Куну. Это была одна из проблем, над которой начали работать Эйнштейн и его коллеги-физики: Абрахам, Пуанкаре, Минковский, Лоренц, Ми, Нордстрёма. Тем не менее, решение Эйнштейна этой «нормальной научной проблемы» привело к революции в физике, хотя ее никто тогда не ожидал. Как это могло произойти? Вот об этом мы и поговорим.
4. Есть простой способ вписать гравитацию в СТО, но при этом станут неверными многие положения классической физики, например закон Галилея свободного падения тел: все тела падают с одинаковым ускорением. Это следует из мысленного эксперимента Эйнштейна, который поразительно простой и наглядный (как и большинство его мысленных экспериментов). Рассмотрим два камня, один падает с какой-то высоты, второй с этой же высоты бросается горизонтально. По закону Галилея они одновременно достигнут земли. Теперь изменим систему отсчета и полетим вслед за брошенным горизонтально камнем с той же скоростью. Тогда для нас этот второй камень будет падать вертикально. А первый камень полетит назад с той же скоростью, с которой был брошен второй камень. В силу относительности понятия «одновременности», во второй системе оба камня достигнут земли в разное время.
5. Следующая особенность внедрения гравитации в теорию относительности связана с энергией и массой. В случае падения инертная масса - это как бы «педаль тормоза» - чем больше масса, тем меньше ускорение (второй закон Ньютона). А масса тяготения - «педаль газа» - чем больше она, тем сильнее сила тяжести и тем больше ускорение. По каким-то причинам обе массы равны и «уравновешивают» действия одна другой.
6. Инертная масса связана с энергией знаменитой формулой Эйнштейна Е= мс2. Но тогда и масса тяготения должна быть связана с энергией. Это показалось Эйнштейну неправильным и он сделал отсюда вывод, что теория тяготения не должна быть частью специальной теории относительности.
7. Вот что вспоминал Эйнштейн: «Из СТО следовало, что вес системы зависит вполне определенным и известным образом от ее полной энергии. Если теория этого не давала или давала только с натяжкой, то ее надо было отбросить. Проще всего это условие можно выразить так: при падении системы в данном поле силы тяжести ускорение не зависит от природы падающей системы (а значит, в частности, и от содержащейся в ней энергии). Однако выяснилось, что в рамках намеченной программы это элементарное положение вещей вообще не может быть учтено надлежащим образом, во всяком случае без натяжки. Это убедило меня в том, что в рамках специальной теории относительности нет места для удовлетворительной теории тяготения» [Эйнштейн, 1967 стр. 282].
8. Но от принципа эквивалентности Эйнштейн решил не отказываться, положив его в основу новой теории тяготения. То есть закон Галилея о свободном падении остается справедливым. Он стал пробным камнем новой теории.
9. Вот как сам Эйнштейн выразил суть принципа эквивалентности: «факт равенства инертной и весомой массы или, иначе, тот факт, что ускорение свободного падения не зависит от природы падающего вещества, допускает и иное выражение. Его можно выразить так: в поле тяготения (малой пространственной протяженности) все происходит так, как в пространстве без тяготения, если в нем вместо «инерциальной» системы отсчета ввести систему, ускоренную относительно нее. Значит, если считать, что поведение тел в ускоренной системе отсчета обусловлено как бы «истинным» полем тяготения (а не только кажущимся), то эту систему отсчета можно считать «инерциальной» с тем же правом, как и первоначальную систему».

[@serjiv3333]

Как всегда прекрасная лекция. Здорово 👍