Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель (см. Эффект Кориолиса). Если пассажирка трамвая, например, уронит очки, то для нее они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. У каждого своя система отсчета.

Но хотя описания событий при переходе из одной системы отсчета в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то есть, как принято говорить на научном языке, являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.

Как любую гипотезу, принцип относительности нужно было проверить путем соотнесения его с реальными природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные (хотя и родственные) теории. Специальная, или частная, теория относительности исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности распространяет этот принцип на любые системы отсчета, включая те, что движутся с ускорением. Специальная теория относительности была опубликована в 1905 году, а более сложная с точки зрения математического аппарата общая теория относительности была завершена Эйнштейном к 1916 году.

Специальная теория относительности

Большинство парадоксальных и противоречащих интуитивным представлениям о мире эффектов, возникающих при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывается именно специальной теорией относительности. Самый известный из них — эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем точно такие же часы у него в руках.

Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения — напротив, сжимается. Этот эффект, известный как сокращение Лоренца—Фицджеральда, был описан в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом (George Fitzgerald, 1851–1901) и дополнен в 1892 году нидерландцем Хендриком Лоренцем (Hendrick Lorentz, 1853–1928). Сокращение Лоренца—Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона—Морли по определению скорости движения Земли в космическом пространстве посредством замеров «эфирного ветра» дал отрицательный результат. Позже Эйнштейн включил эти уравнения в специальную теорию относительности и дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела также увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света. Так, при скорости 260 000 км/с (87% от скорости света) масса объекта с точки зрения наблюдателя, находящегося в покоящейся системе отсчета, удвоится.

Со времени Эйнштейна все эти предсказания, сколь бы противоречащими здравому смыслу они ни казались, находят полное и прямое экспериментальное подтверждение. В одном из самых показательных опытов ученые Мичиганского университета поместили сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки сверяли их показания с контрольными часами. Выяснилось, что часы на самолете постепенно отставали от контрольных все больше и больше (если так можно выразиться, когда речь идет о долях секунды). Последние полвека ученые исследуют элементарные частицы на огромных аппаратных комплексах, которые называются ускорителями. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах на ускорителях приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц — иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И в этом смысле специальная теория относительности давно перешла из разряда гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где используется наравне с законами механики Ньютона.

Возвращаясь к законам Ньютона, я хотел бы особо отметить, что специальная теория относительности, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона, если ее применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть, специальная теория относительности не отменяет ньютоновской физики, а расширяет и дополняет ее (с) корр. Popular Mechanics

Вопросы мировоззрения Эйнштейна являются предметом дискуссий уже несколько десятков лет. Во многочисленной философской литературе, посвящённой этой проблеме, можно увидеть самые противоречивые выводы о его философских взглядах. Верно, однако, лишь одно: Эйнштейн всегда относился к философии с большой симпатией. Он отчётливо осознавал, что его абстрактную физическую теорию пространства, времени и тяготения нельзя было бы создать, опираясь лишь на данные физики, как таковые. Либо относительность, либо абсолютное время! В этом, коротко говоря, и суть дела...
Теория относительности открыла связь между пространством и временем. Такая связь содержится уже в самом постоянстве скорости света. Эта скорость есть отношение пути ко времени, и стало быть, её постоянство. Равенство во всех системах означает связь между пространственными и временными величинами. Абсолютное должно заключаться не в пространстве и времени самих по себе, а в их соединении... Трудно удержаться от подозрения, что статистический характер теории обусловлен, по видимому, неполнотой описания и не имеет ни какого отношения к природе вещей. Эйнштейна интересовали, например, следующие гсенологические вопросы: Что может дать познанию чистое мышление, независимое от чувственного восприятия? Возможно ли познание, основанное на чистом мышлении? Если же нет, то какого соотношение между познанием и тем сырым материалом, которым являются наши ощущения?
Чтение научно-популярных книжек вскоре привело меня к убеждению, то в библейских рассказах многое не может быть верным. В следствии этого было просто фантастическое свободомыслие. Теоретические идеи не возникают отдельно от опыта, не зависимо от него. Их также нельзя вывести из опыта чисто логическим путём. Их возникновение - есть творческий акт. Коль скоро теоретическая идея возникла, её стоит строго придерживаться до тех пор, пока она не приведёт к противоречию. Я придерживаюсь представлению о непрерывном характере поля не потому, что исхожу из какого-то предрассудка, а потому, что не могу придумать ничего такого, чтобы могло органически заменить эти представления.
Энштейн не разделял идей тех философов, которые придерживались позиции наивного реализма: аристократическая иллюзия о неограниченной проницательности чистого мышления имеет своего двойника: значительно более плебейскую иллюзию позитивного реализма, согласно которой все вещи существуют в том виде, в котором их воспринимают наши чувства.
Изучение этого мира манило, как освобождение. И я скоро убедился, что многие из тех, кого я научился ценить и уважать, нашли свою внутреннюю свободу и уверенность, отдавшись целиком этому занятию. Дорога к этому раю не была так удобна и завлекательна, как дорога к религиозному раю, но она оказалась надежной, и я никогда не жалел, что пошел по ней.
В своей биографии он признаёт, что в юные годы, как и многие его сверстники, он действительно пришел к глубокой религиозности. Которая однако уже в двенадцатилетнем возрасте резко оборвалась. Способность воспринимать то непостижимое для нашего разума, что сокрыто под непосредственными переживаниями, чья красота и совершенство доходит до нас лишь в виде косвенного, слабого отзвука - это и есть религиозность. В этом смысле - я религиозен. Космическое, религиозное чувство не приводит к сколько-нибудь завершенной концепции бога, ни к теологии.
Пространственно-временная структура мира есть не что иное, как его причинно-следственная структура, взятая лишь в соответствующей абстракции. То, что высказанное определение теории пространства-времени действительно возможно в рамках теории относительности, доказывается чисто математически.
Я довольствуюсь тем, что с изумлением строю догадки о тайнах мироздания, смиренно пытаясь мысленно создать далеко не полную картину совершенной структуры всего сущего. Наблюдаемую высокую однородность Вселенной в рамках обычных фридмановских моделей приходится принимать, как проявление начальных условий физически не вполне понятных (с) корр. Popular Mechanics