1.Принцип відносності ейнштейна. Одночасність подій

Основою уявлень класичної фізики про простір і час було тлумачення їх як самостійних сутностей, які існують відокремлено одне від іншого. Тобто час плине сам по собі, незалежно від особливостей простору, в якому відбуваються фізичні явища і процеси; вибір початкового моменту та інтервалів часу є умовним, незалежним від подій, що передували їх перебігу. Це означає, що для всіх спостерігачів інтервали часу між одними й тими самими двома подіями однакові. Як наслідок, стверджувалося, що дві події, одночасні для одного спостерігача, неминуче будуть одночасними і для будь-якого іншого.

Простір уявляли «вмістилищем» усього, що існує довкола нас; за своїми властивостями він однорідний (у будь-якій точці його властивості однакові) та ізотропний (однаковий в усіх напрямках). На підставі такого розуміння простору і часу Г. Галілей сформулював принцип відносності, згодом покладений І. Ньютоном в основу класичної механіки.

Принцип відносності Галілея: жодними дослідами в інерціальній системі відліку не можна встановити, в якому стані вона перебуває — рівномірного прямолінійного руху чи спокою.

Перший закон Ньютона: будь-яке тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху доти, доки його не змушують змінити цей стан прикладені до тіла сили.

Класичні уявлення про простір і час передбачали існування абсолютного, нерухомого простору й абсолютного, незалежного від нього часу. Таке їх тлумачення давало змогу знайти зручну систему відліку, відносно якої простіше було описати явища, що  відбуваються в безмежному однорідному просторі і рівномірному плині часу. Водночас принцип відносності Галілея стверджував, що закони механіки однакові в усіх системах відліку, що рухаються рівномірно і прямолінійно. Отже, класична механіка спроможна була пояснити широке коло механічних явищ, що відбуваються довкола нас. Це рух тіл з незначними швидкостями порівняно зі швидкістю світла, який спостерігає людина у повсякденному житті, космічний рух планет, розрахунок траєкторій штучних супутників Землі тощо.

Однак, коли на початку XX ст. фізики поринули в пояснення природи електромагнітного випромінювання та закономірностей мікросвіту, де швидкість перебігу подій сумірна зі швидкістю світла, класична фізика виявилася безпорадною. Як з'ясувалося, перегляду потребували самі її основи — уявлення про простір і час.

У 1905 р. Альберт Ейнштейн поширив принцип відносності Галілея на всі фізичні явища і припустив, що швидкість поширення світла є однаковою в усіх системах відліку і не залежить від руху тіла, що його випромінює; вона є граничною у передачі будь-якої взаємодії чи поширенні імпульсу. Ці два постулати, названі Ейнштейном принципами спеціальної теорії відносності (скорочено — СТВ), змусили переглянути спрощені уявлення про простір і час, якими керувалася класична фізика, і дати узагальнене їх тлумачення.

Принципи спеціальної теорії відносності:

1) в усіх інерціальних системах відліку, незалежно від стану їхнього руху, фізичні явища відбуваються за однаковими законами;

2) швидкість поширення світла є сталою для всіх інерціальних систем відліку і не залежить від їхнього руху.

Континуум (від лат. continuum) — безперервний, нерозривний, суцільний.

Насамперед СТВ об'єднала їх в єдиний континуум — простірчас. За таких умов кожне явище, наприклад, розглядається в чотиривимірній системі координат (х, у, z, t), тобто кожній події, кожному явищу відповідає не лише просторова визначеність їх координат, а й пов'язана з ними часова характеристика їх перебігу. Це не механічне об'єднання простору і часу, коли до системи координат долучається годинник, а спільна, поєднана інтерпретація явищ у просторово-часовому вимірі. Таке розуміння простору і часу (вірніше простору—часу) привело до зміни сутнісних положень фізики, зокрема одночасності подій, сповільнення часу і скорочення довжини.

Теорія відносності спростувала твердження класичної фізики про одночасність подій для будь-якого спостерігача. Розглянемо поширення світлового променя одночасно в нерухомій і рухомій системах відліку. Нерухомий спостерігач фіксує надходження імпульсів від обох джерел світла одночасно. Нехай у відносно нерухомій системі відліку  перебуває  спостерігач  (мал. 5.1).

На однаковій відстані l від нього справа і зліва знаходяться сполучені з годинниками джерела світла А і В, які періодично випромінюють світловий імпульс. У певний момент часу, зафіксований лівим годинником, джерело світла А посилає імпульс у напрямку спостерігача. У цей самий час такий же імпульс випромінює і джерело світла В.

Оскільки відстані від спостерігача до джерел світла однакові, то й час поширення світла також буде однаковим, адже  a c=const. Якщо спостерігач зафіксує надходження імпульсів від обох джерел світла одночасно, то за такої умови можна дійти висновку, що в точках А і В події (у цьому разі випромінювання світла) відбулися одночасно.

Спостерігач, що рухається в напрямі до одного із джерел світла і віддаляється від іншого, фіксуватиме надходження імпульсів не одночасно. Нехай тепер спостерігач наближається до одного із джерел світла (мал. 5.2), наприклад до правого. У цьому разі він спостерігатиме іншу картину. Імпульс від джерела світла В надійде до нього раніше, ніж від джерела А, оскільки за час поширення імпульсу спостерігач наблизиться до джерела світла В і віддалиться  від джерела A:  Звідси: t_A > t_B, оскільки l_А >l_B, а швидкість світла с = const. Тому для рухомого спостерігача час поширення світла від джерел А і В буде різним, і для рухомої системи відліку момент випромінювання світла не буде одночасним.

Отже, дві події, що відбуваються в різних точках простору і є одночасними в одній системі відліку, не будуть одночасними в іншій.

Фізичні явища або події, що відбуваються одночасно в одній системі відліку, будуть неодночасними в іншій системі відліку.

Цей парадоксальний для класичної фізики висновок, зроблений А. Ейнштейном на початку XX ст., змусив переглянути усталені уявлення про простір і час, які протягом тривалого часу успішно впорядковували повсякденний досвід людини.