Сама идея о законе всемирного тяготения пришла к Ньютону, как известно, во время наблюдения за падением яблока. Ньютон рассуждал следующим образом: на яблоко и гораздо более высоко расположенные тела (Луна, Солнце) должна действовать имеющая одну и ту же природу сила тяготения. Между ускорениями, с которыми все тела «падают» на Землю, должна существовать какая-то связь. Предположив, что орбита Земли круговая, он определил следующую закономерность: сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояний от тела до Земли.
Вся сумма наблюдений и рассуждений Ньютона, описанных в его «Началах», сводится к трем известным всем в настоящее время законам движения, которые вкупе с законом всемирного тяготения указали на единые механизмы существования всего на нашей планете. Ньютону, знакомому с идеями Коперника, необходимо было ввести понятие универсально абсолютного пространства, одинакового и неподвижного в любой точке Вселенной, и абсолютного времени, в которых бы имели место прямолинейные движения и покой. С введением этих абсолютных констант законы движения принимали космическую значимость. Именно благодаря формулировке этих законов стал возможным дальнейший технический прогресс человечества и, собственно, полет в космос.
Итак, в эпоху Ньютона (конец XVII в.) время с позиции науки сохраняло свою абсолютность, или равномерность, и неизменность под воздействием внешних обстоятельств. Несмотря на всю свою значимость, законы Ньютона не могли объяснить многих вещей. Так, например, не было возможности объяснить мгновенную передачу тяготения с Земли на любое тело, удаленное как угодно далеко.
Другим значительным противоречием была несопоставимость 3-го закона и понятия абсолютности пространства: если тело с определенной массой в силу своей инерции сопротивляется действию ускоряющего пространства, то и само пространство должно испытывать влияние этого тела на себя, но оно же неизменно по самому определению. Как все это соотнести?
Согласно концепции об абсолютном пространстве, равномерное прямолинейное движение и покой можно легко разграничить, однако сами принципы механики Ньютона отрицают физическое различие между этими двумя состояниями. Иначе говоря, относительность различий покоя и равномерного движения не может существовать в условиях абсолютных пространства и времени. Стремясь логически ликвидировать эту неувязку, Ньютон вводит понятие центра тяжести (точнее, инерции Солнечной системы), который всегда находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Именно относительно этого гипотетического центра и возникают абсолютные пространство и время.
Итак, абсолютность времени и пространства в свете законов Ньютона остаются неизменными, однако классическая физика погружается во все более и более глубокий кризис, который можно было бы преодолеть с появлением совершенно новой и не связанной «обязательствами» с традиционными представлениями об устройстве мира теории.
Рубеж веков часто становится временем различных переворотов, в т. ч. и научных. Революционным для физики, а значит, и для всех наук, занимающихся изучением нашего мира, стал 1905 г. В это время мало кому известный эксперт федерального Бюро патентов, преподаватель физики по специальности Альберт Эйнштейн выпускает статью в журнале «Annalen der Physik» под названием «К электродинамике движущихся тел». Следом появляется вторая статья «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». Два этих труда и станут в последующем основой теории относительности.
Что же нового и революционного несла работа Эйнштейна? Во-первых, это было совершенно новое видение природы света. В XIX в. сложилось представление о свете как о волновом движении светового эфира — некой упругой среды. Новые данные, получаемые в сфере оптической физики, невозможно было трактовать с позиций волновой природы светового эфира, поэтому было принято рассматривать это явление природы как электромагнитное силовое поле, описываемое с помощью набора математических уравнений, выведенных Дж. Максвеллом.
С точки зрения концепции Ньютона об абсолютном пространстве и времени, световой эфир должен покоиться, а «пролетающие» сквозь него галактики и наша планета должны вызывать «эфирный ветер» или изменение прямолинейного распространения солнечных лучей, регистрируемые экспериментально оптическими приборами. Однако многочисленные исследования в этой области не показали абсолютно никаких следов «эфирного ветра».
Эксперименты опровергли существование светового эфира. Появилась потребность дать совершенно иную трактовку природы света, что и сделал Эйнштейн, заменив эфир электромагнитным полем. Отправной точкой для его исследований было рассмотрение скорости распространения света — максимальной из возможных скоростей передачи какого-либо сигнала и одновременно конечной.
Исходя из этого утверждения, можно прийти к отрицанию возможности одновременного происхождения событий в удаленных друг от друга точках (при наблюдении этих событий неким сторонним наблюдателем). Значит, Эйнштейн пришел к пониманию относительности одновременности событий, а затем и к относительности самого времени — невозможность абсолютной одновременности влечет за собой и невозможность существования абсолютного времени во всех системах отсчета.
Поскольку время и пространство — тесно связанные друг с другом величины, то с отказом от абсолютности времени приходит отказ от абсолютности пространства. Таким образом, в «Специальном принципе относительности», сформулированном Эйнштейном в 1905 г., утверждается, что в любых системах отсчета, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно, действуют одни и те же физические законы, при переходе же из одной системы отсчета в другую пространственно-временные координаты преобразуются. Впервые о времени и пространстве было сказано как о координатах, способных различным образом изменяться.
Двумя знаменитыми парадоксами специальной теории относительности стали уменьшение размеров тела и замедление хода часов при достижении телом скорости, приближающейся к скорости света. Следовательно, масса тела, представлявшаяся в классической физике величиной постоянной, будет нарастать при существенном увеличении скорости тела, что и было экспериментально определено для элементарных частиц, в частности электрона, с появлением установок, способных разогнать частицы до скоростей, близких к скорости света.
Еще одним следствием специальной теории относительности является важнейший закон не только из области физических знаний, но и мировоззрения вообще. Это закон об эквивалентности массы и энергии, общеизвестное E=mc2. Получается, что рассматриваемый Эйнштейном свет является переносчиком не только энергии, но и массы, а масса является мерой энергии, переносимой телом. Экспериментальных данных, подтверждающих верность сделанных Эйнштейном выводов, было достаточно, например, отечественный физик-экспериментатор П. Н. Лебедев обнаружил давление света на твердые тела и др.
Итак, специальная теория относительности коренным образом изменила традиционные представления о времени и пространстве, придав им значение меняющихся координат четырехмерного пространства. В этой работе Эйнштейн обосновывает относительность только равномерного движения, но ведь этот вид движения является далеко не единственным и даже далеко не превалирующим. Как же обстоит дело с другими видами движения? По логике вещей, если относительно равномерное движение, относительны и все другие виды движений.
Сам Эйнштейн говорил, что физические законы должны быть настолько универсальны, чтобы их можно было применять для систем отсчета, движущихся произвольным образом. Именно поэтому была разработана общая теория относительности, углубленно рассмотревшая явление всемирного тяготения. Действительно, ни Галилей, ни Ньютон, описывавшие тяготение, не смогли описать природу самого этого явления. Впервые в рамках теории относительности Эйнштейну удалось проникнуть в тайны притяжения тел, обладающих массой.
