Швидкість світла
Учений А. Майкельсон, що проводив у 1881 році вимірювання швидкості світла, зрозумів, що ці результати не будуть залежати від швидкості, з якою рухається джерело випромінювання. Спільно з Е. В. Морлі Майкельсон в 1887 році провів ще один експеримент, після якого всьому світу стало ясно: неважливо, в якому напрямку проводиться вимірювання, швидкість світла скрізь і завжди однакова. Результати цих досліджень йшли врозріз з уявленнями фізики того часу, адже якщо світ рухається в певному середовищі (ефірі), а планета рухається у цій ж середовищі, вимірювання в різних напрямках ніяк не можуть бути однаковими.Пізніше французький математик, фізик і астроном Жюль Анрі Пуанкаре став одним з основоположників теорії відносності. Він розвивав теорію Лоренца, згідно з якою наявний ефір нерухомий, тому швидкість світла щодо нього не залежить від швидкості джерела. У рухомих системах відліку виконуються перетворення Лоренца, а не галилееви (перетворення Галілея, прийняті до тих пір в ньютонівської механіці). Відтепер галилееви перетворення стали приватним випадком перетворень Лоренца, при переході в іншу інерційну систему відліку при малою (порівняно зі швидкістю світла) швидкості.
Скасування ефіру
Релятивістський ефект скорочення довжини, званий так само Лоренцевим скороченням, полягає в тому, що для спостерігача предмети, що рухаються щодо нього, будуть володіти меншою довжиною. Істотний внесок у теорію відносності вніс Альберт Ейнштейн. Він повністю скасував такий термін як "ефір", до цього часу присутствавший в міркуваннях і розрахунках всіх фізиків, а всі поняття про властивості простору і часу він переклав в кінематику. Після того, як у світ вийшли роботи Ейнштейна, Пуанкаре не лише припинив писати наукові роботи на цю тему, але і взагалі не згадував імені свого колеги ні в одній з своїх робіт, виключаючи єдиний випадок посилання на теорію фотоефекту. Пуанкаре продовжив обговорювати властивості ефіру, категорично заперечуючи будь-які публікації Ейнштейна, хоча при цьому до самого великому вченому ставився з повагою і навіть дав йому блискучу характеристику, коли адміністрація Вищого політехнічного училища в Цюріху хотіла запросити Ейнштейна стати професором навчального закладу.
Теорія відносності
Навіть багато з тих, хто зовсім не в ладах з фізикою і математикою, хоча б у загальних рисах уявляє, що таке теорія відносності, адже це, можливо, найзнаменитіша з наукових теорій. Її постулати руйнують повсякденні уявлення про час і простір, і хоча всі школярі вивчають теорію відносності, але щоб зрозуміти її у всій повноті недостатньо просто знати формули.Ефект уповільнення часу перевірили на експерименті з надзвуковим літаком. Точні атомні годинники, що перебувають на його борту, після повернення стали відставати на частки секунди. Якщо є два спостерігачі, один з яких стоїть на місці, а другий рухається з деякою швидкістю щодо першого, час у спостерігача, який нерухомий, буде йти швидше, а для рухомого об'єкта хвилина буде тривати трохи довше. Однак якщо рухомий спостерігач вирішить повернутися і звірити час, виявиться, що його годинник показують трохи менше, ніж перші. Тобто, пройшовши набагато більшу відстань за шкалою простору, він "прожив" менше часу, поки рухався.
Релятивістські ефекти в життя
Багато хто вважає, що спостерігати релятивістські ефекти можна тільки при досягненні швидкості світла або при наближенні до неї, і це дійсно так, проте спостерігати їх можна, не тільки розігнавши свій космічний корабель. На сторінках наукового журналу Physical Review Letters можна прочитати про теоретичній роботі шведських учених. Вони писали про те, що релятивістські ефекти присутні навіть просто акумулятор для автомобіля. Процес можливий завдяки швидкому руху електронів атомів свинцю (до речі, саме вони є причиною більшої частини напруги на клемах). Це також пояснює, чому, незважаючи на схожість свинцю і олова, акумулятори на основі олова не працюють.Незвичайні метали
Швидкість обертання електронів в атомах досить невисока, тому й теорія відносності просто не працює, однак є деякі винятки. Якщо просуватися все далі і далі по таблиці Менделєєва, стає зрозуміло, що в ній досить багато елементів важче свинцю. Велика маса ядер урівноважується за рахунок підвищення швидкості руху електронів, причому вона може навіть наближатися до світлової. Якщо розглянути цей аспект з боку теорії відносності, то стає ясно, що у електронів в такому випадку повинна бути величезна маса. Тільки так можна зберегти кутовий момент, але орбіталь буде стискатися по радіусу, і це дійсно спостерігається в атомах важких металів, а ось орбіталі "повільних" електронів не змінюються. Цей релятивістський ефект спостерігається в атомах деяких металів на s-орбіталях, мають правильну, сферично симетричну форму. Вважається, що саме в результаті дії теорії відносності ртуть має рідкий агрегатний стан при кімнатній температурі.
Космічні подорожі
Об'єкти в космосі знаходяться один від одного на величезних відстанях, і навіть при русі зі швидкістю світла буде потрібно дуже багато часу, щоб подолати їх. Наприклад, щоб дістатися до Альфи Центавра - найближчої до нас зірки, космічному кораблю, має швидкість світла, потрібно чотири роки, а щоб досягти сусідній з нами галактики - Великого Магелланової Хмари - буде потрібно 160 тисяч років. Злітати до Альфи Центавра і назад ще можна, адже потрібно всього вісім років, а для мешканців корабля, відчувають ефект уповільнення часу, цей термін буде значно менше, однак після повернення з подорожі в сусідню галактику космонавти виявлять, що на рідній планеті пройшло вже триста двадцять тисяч років, і людська цивілізація, можливо, вже давно перестала існувати. Таким чином, релятивістські ефекти дозволяють людям переміщатися в часі. Це вважається однією з головних проблем підкорення космосу, адже який сенс підкорити космічні простори, якщо не буде можливості повернутися?
Інші дії
Крім знаменитого уповільнення часу, існує і релятивістський ефект Доплера, згідно з яким у разі, якщо джерело хвиль почне рух, то хвилі, що поширюються в бік цього руху, будуть сприйматися спостерігачем як "стислі", а в бік видалення довжина хвиль буде збільшеною. Подібне явище характерне для будь-яких хвиль, тому його можна спостерігати на прикладі звуку в повсякденному житті. Скорочення звукової хвилі сприймається людським вухом як підвищення тону. Тому, коли сигнал поїзда чи автомобіля чується здалеку, він нижче, а якщо потяг буде їхати повз спостерігача, видаючи при цьому звук, то висота його буде вище в момент наближення, але як тільки об'єкти поравняются, і поїзд почне віддалятися, тон різко стане нижче і далі буде продовжуватися на більш низьких нотах. Ці релятивістські ефекти обумовлені класичним аналогом зміни частоти при русі приймача і джерела, а також релятивистским уповільненням часу.