Теория относительности

Оомия Нобумицу 

Теория относительности

Nihonbungeisha

Москва, 2020

С этой книжкой не уснёшь!

Теория  
относительности

Научный редактор  
Оомия Нобумицу

Описание  
в картинках

УДК 530.1
ББК 22.31
О599

Оомия Н.
О599 Теория относительности / пер. с яп. С. Л. Плехановой. – М.: ДМК 
Пресс, 2020. – 132 с.: ил. 

ISBN 978-5-97060-817-3

В этой книге разговор о теории относительности начинается издалека – не с открытий Эйнштейна, а с первых попыток 
сформулировать принцип относительности, предпринятых ещё 
античными учёными. После знакомства с историей вопроса читателю предлагается рассмотреть собственно научные аспекты: как 
расшифровывается знаменитая формула E = mc2, как теория относительности повлияла на развитие квантовой механики и каковы 
современные подходы к вопросам космического масштаба (возникновение и развитие Вселенной, тайны света, гравитационные 
волны). Особое место в книге отведено Альберту Эйнштейну как 
создателю теории относительности. Биографические сведения 
о нём приводятся в конце первых четырёх глав.
Издание предназначено для всех, кто интересуется вопросами 
современной физики.

УДК 530.1
ББК 22.31

Russian translation rights arranged with NIHONBUNGEISHA Co., Ltd. through 
Japan UNI Agency, Inc., Tokyo

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без 
письменного разрешения владельцев авторских прав.

ISBN 978-4-537-26182-0 (яп.) 
Copyright © NIHONBUNGEISHA, 2018
ISBN 978-5-97060-817-3 (рус.) 
©  Оформление, издание, перевод, 
ДМК Пресс, 2020

Предисловие ............................................................................................................................ 8

Глава 1 Физика до появления теории относительности

Великое открытие Галилея, ознаменовавшее конец Средневековья .............12
Принцип относительности Галилея ...............................................................................14
И гравитация, и свет передаются посредством эфира? .......................................16
Свет как символ объединения электричества и магнетизма .............................18
Как вычислить абсолютную скорость Земли? ...........................................................20
Сгущение туч над физикой в начале XX века ...........................................................22
Несостоятельность ньютоновской механики ............................................................24
Ночь накануне рождения специальной теории относительности ...................26
Жизнь Эйнштейна (часть 1) ..............................................................................................28

Глава 2 Специальная теория относительности

Мечта 16-летнего Эйнштейна .........................................................................................30
Тройной прыжок Эйнштейна ...........................................................................................32
Действие физических законов во всей Вселенной ................................................34
Принцип относительности управляет физикой! ......................................................36
Какова же скорость света, не изменяющаяся ни во времени, 
ни в пространстве? ..............................................................................................................38
Странное явление, производимое двумя принципами ........................................40
Специальная теория относительности, опровергающая здравый смысл .....42
Представление сжатия движущегося объекта  
на пространственно-временной диаграмме ............................................................44
Проясним объединение времени и пространства..................................................46
Замедление времени на световых часах ...................................................................48
Замедление времени на пространственно-временной диаграмме ...............50
Тела сжимаются по мере приближения их скорости к скорости света .........52
Масса возрастает следом за скоростью ......................................................................54
Мир, в котором с течением времени изменение скорости замедляется ......56
Странные взаимоотношения энергии и массы ........................................................58
Почему же Е = mс2? ..............................................................................................................60

Содержание

Добро пожаловать в четырёхмерное пространство-время ................................62
Жизнь Эйнштейна (часть 2) ..............................................................................................64

Глава 3 Квантовая механика и микромир

Исследование замедления времени на самолёте ..................................................66
Тайна космических лучей .................................................................................................68
Вклад теории относительности в развитие жизни .................................................70
Ускоритель частиц – устройство, приближающее нас к разгадке  
тайны возникновения Вселенной ..................................................................................72
Специальная теория относительности может принести пользу  
и в лечении рака...................................................................................................................74
Цивилизация ХХ века и поныне невозможна без теории  
относительности! ..................................................................................................................76
Роль теории относительности в развитии атомной энергии и создании 
атомной бомбы .....................................................................................................................78
Расщепление ядра и термоядерный синтез. Общий принцип ..........................80
Теория относительности сделает возможными путешествия  
по галактике? .........................................................................................................................82
Жизнь Эйнштейна (часть 3) ..............................................................................................84

Глава 4 Общая теория относительности

Ключ к решению сложных задач ...................................................................................86
Два слабых места специальной теории относительности ...................................88
Проблема общего принципа относительности ........................................................90
Три принципа в основании общей теории относительности .............................92
Две загадки веса ..................................................................................................................94
Эквивалентность двух масс, подтверждённая опытным путём .........................96
Свет искривляется под воздействием гравитации! ...............................................98
Чем дальше от поверхности Земли, тем быстрее распространяется свет . 100
Где выше гравитационный потенциал, там свет движется быстрее ............. 102
В гравитационном поле пространство искривляется ........................................ 104
Искривление пространства-времени в общей теории относительности... 106
Жизнь Эйнштейна (часть 4) ...........................................................................................108

Глава 5 Космология и макромир

Как была доказана общая теория относительности по результатам 
наблюдения солнечного затмения .............................................................................110

Опыт о красном смещении солнечного света ....................................................... 112
Разгадка тайн света и Вселенной ...............................................................................114
Сигнал от зелёных человечков с другой планеты ............................................... 116
Возмущение пространства-времени – гравитационные волны ...................... 118
Чёрные дыры и теория относительности ................................................................ 120
Вселенная расширяется и сжимается?! .................................................................... 122
До Большого взрыва Вселенной не существовало ............................................. 124
Что такое инфляционное расширение Вселенной? ............................................ 126
Автомобильная навигация – тоже порождение теории  
относительности................................................................................................................. 128
Заключение .........................................................................................................................130

Предисловие

До того как Эйнштейн создал теорию относительности, был пройден 
долгий путь и накоплена мудрость многих предшественников. Аристарх Самосский из Древней Греции и учёный XVI века Коперник разработали гелиоцентрическую систему мира, которую поддерживал 
и Галилей. Затем Ньютон доработал закон инерции Галилея, который 
стал первым законом движения, одним из трёх базовых.
Вскоре после этого законы Ньютона стали основой научной мысли. 
Концепция абсолютного пространства и времени, сформулированная 
Ньютоном, имела большое значение для развития технологий во время 
промышленной революции. Вероятно, можно даже сказать, что промышленная революция и последовавший за ней период Pax Britannica, 
продолжавшийся с середины XIX до начала XX века, стали возможны 
благодаря законам Ньютона. 
Однако с открытием электромагнитного взаимодействия (обнаружено 
английским учёным Фарадеем и доработано Максвеллом) одно за одним стали открываться явления, которые не могли быть объяснены законами Ньютона. То, что для электромагнитных явлений не работают 
законы Ньютона, обнаружил нидерландский физик Лоренц. 
Ньютонова механика, которая поддерживает современную материальную цивилизацию, не справляется с электромагнитными явлениями. Множество исследований было проведено, чтобы как-то решить 
эту проб лему, в результате чего появились теория относительности 
и квантовая механика. Были выявлены ограничения в пространственно-временном и причинно-следственном описаниях явлений, которые вытекают из неверного представления о пространстве и времени 
как абсолютных и неизменных.  Современные производственные технологии  продемонстрировали человечеству существование явлений, 
превосходящих законы Ньютона. 
Специальная теория относительности была представлена в 1905 году, 
как раз в ту эпоху, когда подошёл к концу расцвет Британской империи, период Pax Britannica, и началась американская эпоха – период 
Pax Americana. 
Специальная теория относительности в тандеме с квантовой механикой дала мощный толчок развитию новых технологий, созданию 
компьютеров, телекоммуникационных устройств, обеспечила возможность создания скоростных поездов и реактивных самолетов, а со

отношение, связывающее энергию и массу (E = mc2), способствовало 
созданию атомной бомбы. Таким образом, специальная теория относительности стояла за спиной холодной войны между США и СССР.
Однако у специальной теории относительности было два слабых места. Первое заключалось в том, что эта теория была применима только 
в инерциальных системах отсчёта, в системах же координат с ускорением она не работала. Второе слабое место теории состояло в том, что 
она не справлялась с гравитацией. Чтобы решить вторую проблему, 
Эйнштейн разработал и представил в 1916 году (во время Первой мировой войны) общую теорию относительности. 
Итак, мы рассмотрели кратко, что предшествовало появлению теории 
относительности. О том, что было дальше, и пойдёт речь в этой книге. 
Конечно, теория относительности, объясняющая тайны пространства- 
времени всей Вселенной и вопросы соотношения энергии и массы, является довольно сложной. И разобраться в ней не так-то просто. Множество людей сбивались с пути, погружаясь в её дебри.
Однако базируется она всего лишь на двух принципах – «принципе 
относительности» и «принципе неизменности скорости света». Если 
хорошо разобраться в этих двух принципах, будет намного легче понять и всю тео рию относительности. Примите это к сведению и читайте данную книгу вдумчиво, уделяя достаточно времени непонятным 
местам, и тогда вы поймёте, почему теория относительности занимает 
такое важное место в нашей жизни. Надеюсь, вы получите истинное 
удовольствие. 

Оомия Нобумицу

Глава 1 

Физика до появления 
теории относительности

Великое открытие Галилея, 
ознаменовавшее конец 
Средневековья

«Инерциальная система отсчёта» непременно существует!

Все тела обладают свойством при отсутствии воздействия внешних сил 
двигаться с постоянной скоростью (то есть состояние тел, находящихся в покое или равномерно движущихся, при отсутствии воздействия 
внешних сил не меняется), это свойство называется инерцией. Законом инерции называется правило, гласящее, что все тела обладают 
инерцией. Этот закон был открыт Галилео Галилеем и, можно сказать, положил конец эпохе Средневековья в Европе. А великий Ньютон (1642–1727) включил закон инерции в свои законы механики в качестве первого закона.
Вспомните, к примеру, карету. Лошадь, прикладывая силу, тянет карету за собой, поэтому карета продолжает двигаться. Все учёные люди 
в средневековой Европе полагали, что движение продолжается именно потому, что продолжается воздействие силы, как провозгласил Аристотель (384–322 гг. до н. э.).
Галилей поддерживал теорию Коперника о движении Земли, за что 
предстал перед церковным судом, где произнёс: «И всё-таки она вертится!» Те же, кто верил во вращение небес, задали вопрос: «Если 
с башни сбросить камень, то он через некоторое время упадёт прямо 
вниз, не так ли? Если бы Земля двигалась, то место падения камня было 
бы немного сдвинуто. Но этого не происходит. Как же так?» Галилей 
ответил на это так: «Попробуйте бросать предметы с мачты корабля. 
Независимо от того, движется корабль или нет, предметы будут 
падать прямо вниз». Хотя сброшенный с башни камень и падает прямо вниз, это не говорит о том, что Земля не движется. Правда, из этого 
не следует и то, что Земля движется. Но если посмотреть на падение 
предмета, находясь в это время в другой лодке, то оно будет выглядеть 
иначе. Эта идея привела Галилея к принципу относительности. Теория 
движения Земли стала общепринятой после того, как Ньютон сформулировал понятие инерции.

Карета

Средние века

Настоящее время

Законы 
движения 
Ньютона
Второй закон

Первый закон

Третий закон

Движение с постоянной 
скоростью

Движение с ускорением

Все силы во Вселенной существуют попарно 
(каждому воздействию есть противодействие)

Внешняя сила 
(F = ma)
воздействует

не воздействует

Продолжает полёт  
и без приложения силы

Всего лишь уберём 
силу трения!

Карета едет  
с постоянной  
скоростью потому,  
что лошадь 
прикладывает  
силу