Кто бы мог подумать, что маленький почтальон изменит основы науки своего времени? Но свершилось! Теория относительности Эйнштейна заставила пересмотреть привычный взгляд на устройство Вселенной и открыла новые области научных знаний.
Большинство научных открытий совершается путем экспериментов: ученые многократно повторяли свои эксперименты, чтобы быть уверенными в их результатах. Работа обычно выполнялась в университетах или исследовательских лабораториях крупных компаний.
Альберт Эйнштейн полностью изменил научную картину мира, не проведя ни единого практического эксперимента.
Его единственными инструментами были ручка и бумага, и он проводил все эксперименты в своей голове.
- Движущийся свет
- Чем быстрее, тем меньше
- Беспощадный вывод
- Искривляя время и пространство
- Начало гонки вооружений
- Масса и энергия
- Просто о сложном
- Общие постулаты
- Двоякость измерений
- Относительность расстояний
- Занимательные эффекты
- Относительность времени
- Эксперимент с лифтом
- Что до, и что после
- Сложение скоростей: попытка вернутся в прошлое
- Формула
- Наглядный пример
- Чем отличается специальная теория относительности от общей теории относительности?
Движущийся свет
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свои первые статьи. Они говорили о движении со скоростью, близкой к скорости света. Выдвинутая им теория получила название специальной теории относительности.
Альберт Эйнштейн (1879-1955) основывал все свои выводы на результатах «мысленного эксперимента».
Эти эксперименты можно было проводить только с помощью воображения.
Скорости всех движущихся тел относительны. Это означает, что все объекты движутся или остаются неподвижными только по отношению к другому объекту. Например, человек, который неподвижен относительно Земли, одновременно вращается с Землей вокруг Солнца. Или предположим, что человек идет по вагону движущегося поезда в направлении движения со скоростью 3 км / ч.
Поезд движется со скоростью 60 км / ч. По сравнению с наблюдателем, стоящим на земле, скорость человека составит 63 км / ч — скорость человека плюс скорость поезда. Если бы он шел против движения, его скорость относительно неподвижного наблюдателя составила бы 57 км / ч.
Эйнштейн утверждал, что нельзя так говорить о скорости света. Скорость света всегда постоянна, независимо от того, приближается ли источник света к вам, удаляется от вас или неподвижен.
Чем быстрее, тем меньше
С самого начала Эйнштейн сделал несколько неожиданных предположений.
Он утверждал, что если скорость объекта приближается к скорости света, его размер уменьшается, а масса, наоборот, увеличивается. Ни одно тело не может быть ускорено до скорости, равной или большей скорости света.
Другой его вывод был еще более удивительным и, казалось, противоречил здравому смыслу.
Представьте себе, что из двух близнецов один остался на Земле, а другой путешествовал в космосе со скоростью, близкой к скорости света. Прошло 70 лет с момента появления на Земле. Согласно теории Эйнштейна, на корабле время течет медленнее, и, например, там прошло всего десять лет.
Оказывается, одному из оставшихся на Земле близнецов больше шестидесяти лет. Этот эффект получил название «парадокс близнецов». Это кажется невероятным, но лабораторные эксперименты подтвердили, что время замедляется на скоростях, близких к скорости света.
Беспощадный вывод
Теория Эйнштейна также включает знаменитую формулу E = mc2, где E — энергия, m — масса, а c — скорость света.
Эйнштейн утверждал, что массу можно преобразовать в чистую энергию.
В результате применения этого открытия в практической жизни появилась атомная энергия и ядерная бомба.
Эйнштейн был теоретиком. Эксперименты, которые должны были подтвердить правильность его теории, он оставил другим.
Многие из этих экспериментов невозможно было провести, пока не были доступны достаточно точные измерительные инструменты.
Факты и события
- был проведен следующий эксперимент: самолет, на котором были установлены очень точные часы, взлетел и, облетев Землю на большой скорости, приземлился в той же точке. Часы на борту самолета на небольшую долю секунды отставали от часов, оставленных на Земле.
- Если вы уроните мяч в лифт, который падает с ускорением свободного падения, мяч не упадет, а как бы останется подвешенным в воздухе.
Это потому, что мяч и лифт падают с одинаковой скоростью.
- Эйнштейн показал, что гравитация влияет на геометрические свойства пространства-времени, что, в свою очередь, влияет на движение тел в этом пространстве. Итак, два тела, которые начали двигаться параллельно друг другу, в конечном итоге встретятся в одной точке.
Искривляя время и пространство
Десять лет спустя, в 1915-1916 годах, Эйнштейн построил новую теорию гравитации, которую назвал общей теорией относительности.
Он утверждал, что ускорение (изменение скорости) действует на тела так же, как сила тяжести. По ощущениям космонавт не может определить, тянется ли его к большой планете или ракета начала замедляться.
Если космический корабль разгоняется до скорости, близкой к скорости света, часы на нем замедляются.
Чем быстрее движется корабль, тем медленнее часы.
Его отличия от ньютоновской теории гравитации проявляются в изучении космических объектов огромной массы, таких как планеты или звезды.
Эксперименты подтвердили кривизну световых лучей, проходящих вблизи тел больших масс. В принципе возможно такое сильное гравитационное поле, что свет не может пройти через него. Это явление называется «черной дырой».
«Черные дыры» обнаруживаются в некоторых звездных системах.
Ньютон утверждал, что орбиты планет вокруг Солнца фиксированы.
Теория Эйнштейна предсказывает медленное дополнительное вращение планетных орбит, связанное с наличием гравитационного поля Солнца. Прогноз подтвердился экспериментально. Это было поистине знаменательное открытие.
Закон всемирного тяготения сэра Исаака Ньютона был изменен.
Начало гонки вооружений
Работа Эйнштейна дала ключи к разгадке многих загадок природы. Они повлияли на развитие многих разделов физики, от физики элементарных частиц до астрономии — науки о строении Вселенной.
Эйнштейн в своей жизни сделал больше, чем просто теорию.
В 1914 году он стал директором Берлинского физического института. В 1933 году, когда в Германии к власти пришли нацисты, он, как еврей, был вынужден покинуть эту страну.
В 1939 году, несмотря на то, что он был противником войны, Эйнштейн написал письмо президенту Рузвельту, в котором предупредил его о возможности создания бомбы огромной разрушительной силы и о том, что нацистская Германия уже начала разработку такой бомбы. Президент отдал приказ приступить к работе. Это положило начало гонке вооружений.
Масса и энергия
Клеа сменила профессию. Теперь он не бандит, а бизнесмен. Поэтому следующая наша встреча с Клио состоится в Одессе на Привозе. Хитрый робот убеждает богатого иностранного туриста, мультимиллионера купить маленький прозрачный розовый липкий предмет, сделанный в Одессе, и просит у него колоссальные пять миллионов долларов. Эта статья, по словам Клио, составляет 125 миллионов киловатт-часов накопленной энергии.
Богач не гнушается запастись сверхмощным концентратом энергии на черный день, его убеждают аргументы Клеа (их содержание будет описано ниже), и сделка вот-вот закрывается. Но тут из-под земли появляется вездесущий майор Прошкин и запрещает торговлю.
«Позор тебе, маленький городок Клеа! Он говорит укоризненным тоном. И он хватает прозрачный розовый предмет, который оказывается обыкновенной конфетой.
— Я ему не соврал… — ворчит разочарованный мошенник.
«Я знаю, — стальным голосом отвечает Прошкин, — но не все сказали, что надо делать. Вперед!
На этот раз ареста не было. Потому что Клео, как ни странно, рассказала туристу правду. Скорее, частица чистой правды. Теперь вы поймете, в чем проблема.
Всем известно, что пушечное ядро толкнуть сложнее, чем бросить спичку. Массивное тело разогнать сложнее, чем легкое. Ускорение означает преодоление инерции тела, а масса служит мерой инерции (как знают все шестиклассники). Теперь вспомним, что с увеличением относительной скорости тела его ускорение становится все более трудным (как показала погоня на эскалаторе). А если так, то можно предположить: чем быстрее движется тело, тем больше его масса.
У капитана на ладони леденец. Его вес составляет пять граммов. Для охотника за боа этот леденец на палочке немного массивнее, потому что он движется относительно него. А для протона, устремляющегося в космические лучи, эта маленькая конфета весит десять килограммов — по сравнению с протоном конфета несется со скоростью, близкой к световой. И наоборот, протоны, летящие в космических лучах, для вас и меня в сотни и тысячи раз массивнее, чем те, которые находятся в относительной неподвижности. Физики-экспериментаторы установили этот факт с абсолютной достоверностью. Масса тела относительна! А также скорость, продолжительность и расстояние. И как энергия.
Фактически, по мере ускорения каждое тело обогащается энергией, затрачиваемой на ускорение. И посмотрите: растет энергия движения тела и растет сопротивление дальнейшему ускорению, то есть инерция, масса. Тело, несущееся почти со скоростью света, обладает огромной энергией и столь же огромной массой. Скорость тела снижается, а это означает, что уменьшается его энергия, а вместе с ней и масса. Получается, что по энергии движущегося тела можно судить по его массе, по массе — по энергии. Они оба меняются вместе, одинаково. Вывод напрашивается сам собой: энергия и масса эквивалентны. Энергия и масса — две характеристики одного и того же явления: движения материи.
Здесь есть тонкость. Когда маяк, забрав леденец из рук капитана, «остановит» его и положит в рот, масса леденца не исчезнет, останется пять граммов. И энергия механического движения леденца на палочке относительно фары полностью исчезнет. Как будто энергии нет, но масса сохраняется. Как это совместить с выводом об их эквивалентности?
В предпоследнем предложении — умышленная ошибка (с моей стороны). Энергия «левого» леденца на палочке не пропала. Потому что движение в нем не прекращается. Есть только одно механическое движение конфеты в целом. Но есть (также, по сравнению с маяком!) Непрерывный тепловой танец его атомов и молекул (он замораживает леденец — и он станет легче, хотя и совершенно незаметным). Электроны движутся внутри и между атомами. Существуют электрические, магнитные и ядерные силы, и, как теперь было показано, они также обусловлены движением, непрерывным поглощением и испусканием микрочастиц.
Леденец (как и любое другое тело, будь то песчинка, пух, капля, гора, планета) спокоен только внешне. Внутри, в своем микрокосме, это клубок молниеносных вихрей, вибраций, движений, иногда очень специфических, не похожих на те механические движения, к которым мы привыкли. И, конечно же, эта бурлящая циркуляция материи, даже если она невидима глазу, незаметна для рук, есть огонь гигантской энергии, той самой, что приравнивается к «массе покоя» — массе леденца «стоп.
Просто о сложном
СТО — более старая теория, которая позже стала частью ОТО. Он может рассматривать только физические процессы для объектов, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория может описать, что происходит с ускоряющимися объектами, а также объяснить, почему существуют гравитон и гравитационные частицы.
Если вам нужно описать движение и законы механики, а также отношения между пространством и временем при приближении к скорости света, это можно сделать с помощью специальной теории относительности. Простыми словами это можно объяснить так: например, друзья будущего подарили вам космический корабль, который может летать на большой скорости. На носу корабля установлена пушка, способная стрелять фотонами во все, что находится перед собой.
Когда производится выстрел, эти частицы летят относительно корабля со скоростью света, но, по логике, стационарный наблюдатель должен видеть сумму двух скоростей (самих фотонов и корабля). Но ничего подобного. Наблюдатель увидит, как фотоны движутся со скоростью 300 000 м / с, как если бы скорость корабля была равна нулю.
Дело в том, что как бы быстро ни двигался объект, скорость света для него величина постоянная.
Это утверждение лежит в основе удивительных логических выводов, таких как замедление и искажение времени в зависимости от массы и скорости объекта. Это основа сюжетов многих фантастических фильмов и сериалов.
Общие постулаты
Общая теория основана на революционном предположении, что гравитация — это не сила, а следствие. Суть его в том, что пространство-время не плоское, а криво-искривленное. По словам создателя теории, время искажается из-за содержащейся в нем массы и энергии.
Если рассматривать траекторию движения в пространстве по прямой, ее проекция в двумерное пространство будет кривизной. Следовательно, свет изгибается гравитационными полями. Итак, если свет от космического объекта попадет в поле зрения с Земли, реальное положение тела будет отличаться от фактического.
Принимая во внимание постулат, можно сказать, что принцип эквивалентности справедлив для любого наблюдателя, который движется как свободно, так и в гравитационном поле. Эйнштейн предположил, что точно так же, как нельзя сказать, что в вагоне стоит или движется, невозможно охарактеризовать гравитацию. Это стало принципом эквивалентности, который ученый использовал для создания новой теории.
Его смысл в том, что гравитация со временем меняется. В то же время на поверхности крепости время течет медленнее, так как сила тяжести сильнее. Так называемый парадокс близнецов хорошо известен. Если один из братьев живет в нижней части скалы, а другой — в ее верхней части, фермер будет стареть быстрее, чем житель равнины. Эта разница будет настолько тонкой, что ее невозможно будет обнаружить практически. Но если один из близнецов отправится в космическое путешествие на корабле со скоростью света, он явно снова станет моложе.
Дело в том, что он не будет летать ровно и по прямой. Ему придется изменить скорость, испытать ускорение, изменить направление полета. Причем ускорение не относительное, а абсолютное. Поэтому те, кто это испытают, останутся молодыми.
Появление формулировки общей теории относительности привело к тому, что пространство и время приобрели статус динамических сущностей. Когда объекты движутся или действуют силы, они приводят к искривлению пространства и времени, но их структура также влияет на движение тел и действие сил.
Двоякость измерений
Еще Эйнштейн и Лоренц обнаружили, что два человека в разных обстоятельствах могут получить разные расчетные значения, и что самое странное, они оба будут правы. Это еще один побочный эффект, когда свет всегда движется с одинаковой скоростью.
Проведем мысленный эксперимент
Представьте, что вы находитесь в центре своей комнаты и что вы установили лампу прямо в центре комнаты. Теперь представьте, что скорость света очень мала, и вы можете увидеть, как он движется, представьте, что включаете лампу.
Как только вы включите лампу, свет начнет расходиться и светиться. Поскольку обе стены находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, свет будет достигать обеих стен одновременно.
А теперь представьте, что в вашей комнате есть большое окно, и ваш друг проходит мимо. Он увидит кое-что еще. Ему будет казаться, что ваша комната движется вправо, и когда вы включите лампу, он увидит, что левая стена движется к свету, а правая стена удаляется от света. Вы увидите, что свет сначала попадает в левую стену, а затем в правую. Ему кажется, что свет не освещает одновременно обе стены.
Согласно теории относительности Эйнштейна, оба взгляда верны. С вашей точки зрения, свет падает на обе стены одновременно. С точки зрения вашего друга, это не так. В этом нет ничего плохого.
Вот почему ученые говорят, что «одновременность относительна». Если вы измеряете две вещи, которые должны произойти одновременно, то кто-то, движущийся с другой скоростью или в другом направлении, не сможет измерить их, как вы.
Нам это кажется очень странным, потому что скорость света для нас мгновенна, и мы очень медленно движемся относительно нее. Поскольку скорость света очень велика, мы не замечаем скорость распространения света, пока не проведем специальные эксперименты.
Относительность расстояний
Для вас это ясно: Клео оказался невежественным, он не знал относительности времени и поэтому скучал по своей жертве. Механизм мины, взошедший на торопливую «Зарю», притормозил для «неподвижной» Клео — отсюда и задержка взрыва.
Но я думаю, тебе жалко Зарю. Допустим, она улетела от пирата, но через минуту ее времени, видимо, ее ждет беда? В конце концов, ублюдок Клео заблокировал свою шахту, находясь за миллиард километров от Земли — на таком гигантском расстоянии, что даже свет может пройти мимо всего за час. «Заря» движется хоть и быстро, но немного медленнее света. Похоже, он должен быть в дороге хотя бы час своего времени. А в конце первой минуты, увы, взрывается.
К счастью, эти предположения ошибочны. Судя по хронометру корабля, через пятьдесят секунд после зловещей диверсии «Заря» спускается на Харьковский космодром. Через четыре секунды после финиша дежурный техник находит и обезвреживает мину, за шесть секунд до взрыва по приказу Клио. Это счастливый конец.
Как Заря могла проехать миллиард километров за 50 секунд? Она не мчалась быстрее света! Нет. «Заря» летела медленнее света. Но не более миллиарда, а всего около 15 миллионов километров. Потому что?
Снова запарили. Как и прежде, он движется с гигантской (и постоянной) скоростью по прямой реке. Но на берегу вместо маяка — продавщица галантереи Валя. Он отмерил десять метров красивой ленты вдоль берега и наклеил этикетку: лента красивая. 10 метров. Цена 1 гривна.
И пароход превращается в плавучую часовую мастерскую. Продавщицу зовут Галя. Он расположил идеально точные и тщательно контролируемые часы рядом друг с другом в линию вдоль всей палубы, от носа до кормы.
И вот, увидев кассету издалека, Гале не терпится ее купить. Однако предварительно он хочет сверить его длину с номером, указанным на этикетке, чтобы не было обмана. Скорость корабля очень высока (скажем, 260 000 километров в секунду). Поэтому для Гали отмерить полосатую ленту — непростая задача. Но он решает ее, используя часы, расположенные вдоль моста: ему удается заметить, на каких часах одновременно начинается и конец бегущей ленты. А потом спокойно измерьте расстояние между увиденными часами. Это длина ленты.
Замер закончен — и Галя возмущается: лента не 10, а всего 5 метров. Он действительно мертв? Галя отказывается от покупки, хочет написать жалобу в Сверхбыструю торговлю, но помнит об относительности одновременности. В конце концов, то, что является одновременно временем для Гали, не является одновременно временем для Вали.
Это означает, что с точки зрения «неподвижного» Вали «движущаяся» Галя сначала обнаружила конец ленты (по маршруту корабля) и только потом, когда поезд успел двинуться вперед, — начало (именно эта последовательность «одновременных» событий была установлена для капитана, как вы помните, удава, когда он судил игру «Кто первый?»). И, следовательно, у «движущегося» Гали лента короче, чем у неподвижного Вали, по сравнению с лентой.
Повесьте ленту на пароход и положите часы на берег реки — и получится наоборот: у Вали лента будет короче, чем у Гали. Здесь нет никакого обмана. И есть явление, называемое дистанционной относительностью.
Вместо ленты можно взять расстояние между двумя городами, между Землей и Сириусом. Для каждого путешественника, идущего этими путями, по словам песни, «большие расстояния становятся короче». И чем он заметнее, тем выше его относительная скорость. На максимальной скорости света они сжимаются до нуля (Галя обнаруживает часы, возле которых сразу находятся начало и конец ленты).
Как видите, несмотря на ограничение скорости Эйнштейна, вы в принципе можете добраться до туманности Андромеды за пять минут. Или через пять секунд. Просто нужно уметь достаточно ускоряться. Что, однако, крайне сложно.
Занимательные эффекты
Чтобы понять теорему Эйнштейна, следует рассмотреть несколько простых явлений и поразмышлять над полученными результатами. Когда поезд находится в движении, можно утверждать, что он едет, основываясь на изменении фона за окном. Пассажиры, находящиеся в вагоне, движутся относительно станции, но остановка также движется относительно людей в вагоне. Обе системы одинаковы.
Можно представить себе путешествие в прозрачном вагоне, по которому человек движется со скоростью пять километров в час. Автомобиль движется со скоростью 60 км / ч. По отношению к людям в центре поезда движение человека составит 5 км / ч. Но при этом, по сравнению с людьми вне поезда, например на платформе, его скорость будет равна 65 км / ч. Таким образом, получается, что движение и скорость относительны.
экспериментально установлено, что скорость света составляет 3 * 106 км / с. Это считается максимальной скоростью. Не может быть больше или меньше. То есть, если свечу приблизить к человеку, скорость света от нее не изменится. Это не увеличит скорость свечи зажигания. Свет всегда распространяется одинаково и не зависит от того, движется его источник или нет. Если скорость поезда почти мала, свет от него не будет выходить быстрее, чем от неподвижной фары. Для наблюдателя свет будет одинаковым как от неподвижного, так и от движущегося источника.
Теперь вы можете представить, что в машине есть две двери, которые открываются со световым сигналом. Источник света расположен в центре автомобиля. Поскольку скорость света во всех направлениях одинакова, при его появлении двери откроются одновременно. Но это утверждение верно только для пассажиров вагонов. Что касается людей, стоящих на платформе, то задняя дверь откроется раньше, по направлению к сигналу, а входная, наоборот, выйдет из нее.
Возникает парадокс, состоящий из следующих основ:
- скорость света такая же;
- расстояния разные;
- момент времени такой же;
- за то же время и расстояние преодолевается другой путь.
Исходя из этого, следует признать, что время течет по-разному в зависимости от системы, в которой находится наблюдатель. Следовательно, в основных положениях специальной и общей теории относительности лежит понимание того, что события одновременны для одних людей, а для других не могут быть одновременными. Это простое объяснение.
Относительность времени
Приключение начинается в стране сверхбыстрых. Они будут проходить под аккомпанемент фантастического детектива и небольшого пародийного сюжета. Межзвездный грабитель по имени Клио выходит на сцену.
Теперь Клео пряталась в глубинах космоса, затормозив свой пиратский корабль за миллиард километров от Земли, недалеко от трассы Сириус-Харьков. И ждать, пока кто-нибудь нападет. Ой! Роскошный космический корабль «Заря» летит с Сириуса. Он несется почти со скоростью света. Но супер-проворная Клео умудряется атаковать его с помощью бомбы замедленного действия. Часы адской машины должны идти через минуту. Его вторая рука переместит шестьдесят дивизий, и произойдет взрыв. Но взрыва нет и нет. Бандит недоумевает, смотрит на часы. Пять минут, десять, двадцать… «Заря» улетает…
Если бы Клеа знал теорию относительности Эйнштейна, саботаж был бы организован им каким-то другим способом, потому что в природе существует явление, называемое относительностью времени. Главное понять, что каждый наблюдатель движется в будущее медленнее, чем его движущиеся коллеги, чем они сами.
Мы помним игру «Кто первый?» Все то же самое, только капитана, для разнообразия, заменяет дама по имени Алла. А хранительницей буя является дама по имени Элла. Как и прежде, для Аллы (капитана) удары одновременные, то есть временной интервал между ними для нее равен нулю. Так что для Эллы (маяка) они обязательно не одновременны — временной интервал между ними определенно больше нуля. Под присмотром Эллы момент Аллы длится определенное время.
Это также продлится до маяка, что для капитана не мгновение, а просто очень короткое время. Если у Аллы кадры почти одновременные, то есть следуют один за другим через миллиардную долю секунды, то у Эллы они разделены большим временным интервалом — две миллиардные доли секунды, минута, год, век — в зависимости от скорость парохода.
С другой стороны, поскольку скорости относительны (первый постулат), сам момент Эллы удлиняется по продолжительности для Аллы. И поэтому для Эллы время Аллы замедляется.
Вывод получился интересный: для Эллы Алла стареет медленнее, чем она сама, а для Аллы Элла стареет медленнее. Смешно звучит. Возникает соблазн спросить: «Кто на самом деле стареет медленнее?».
Пока мы говорим только о плавных прямолинейных движениях, пока наблюдатели, разбросанные в разные стороны, не вернутся к месту встречи, чтобы сравнить часы, календари и увидеть друг друга, этот вопрос неверен. Ведь у Аллы и Эллы нет преимуществ друг перед другом (мы еще помним первый постулат теории относительности). Поэтому удивительный вывод об относительности их старения строго верен.
другое дело, если Алла вернется к Элле. Возвращение пассажира означает его замедление, остановку, ускорение в обратном направлении. И тем самым нарушить равномерность его движения. Здесь первый постулат нельзя приписать Алле. Его движение отличимо от покоя (есть ускорение). Исчезло равноправие Аллы и Эллы: пассажирка Алла лишилась права голоса. Единственным законным обратным отсчетом будет Элла, которая не ускорилась. А так как Алла для Эллы стареет медленнее, это как раз и есть правда. Тем, кто медленнее возвращает возраст.
Ученые очень любят этот «парадокс близнецов», недавно подтвержденный, среди прочего, сверхточным экспериментом с микрочастицами. А относительность времени наблюдалась физиками в течение многих лет в явлении распада частиц, называемых мезонами: чем быстрее движется мезон, тем дольше он остается неразрешенным. Его время для нас замедлилось.
Эксперимент с лифтом
Вы можете рассказать о теории относительности простым языком с помощью небольшого мысленного эксперимента. Представьте, что вы находитесь в лифте. Кабина пришла в движение, и вы оказались в невесомости. Что случилось? Причин может быть две: либо лифт находится в космосе, либо находится в свободном падении под действием силы тяжести планеты. Самое интересное, что невозможно найти причину невесомости, если нет возможности выглянуть из кабины лифта, то есть оба процесса выглядят одинаково.
Возможно, после проведения подобного мысленного эксперимента Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что если эти две ситуации неотличимы друг от друга, то на самом деле тело не ускоряется под действием силы тяжести, а представляет собой форму движения, которая складывается под действием силы тяжести влияние массивного тела (в данном случае планеты). Следовательно, ускоренное движение — это только проекция равномерного движения в трехмерном пространстве.
Что до, и что после
Но как насчет относительности одновременности? Это сохраняется. Но только для событий, которые нельзя связать причинно-следственной связью.
В саду сломался куст бузины (первое событие), а в Киеве дядя чихнул (второе событие) — это случайности, в общем, не связанные друг с другом. Это означает, что они могут быть одновременными по отношению к некоторым наблюдателям. Но вдруг выясняется, что вот оно: чихнув, дядя дотронулся до спускового крючка пистолета, в результате чего прозвучал выстрел, пуля залетела в огород и сломала там куст бузины. Так развивается причинно-следственная цепочка. Итак, разрешение на одновременность потеряно.
С точки зрения любого наблюдателя, каким бы подвижным он ни был, сначала дядя чихает, а потом ломается старший. Даже если пистолета нет, даже если дядя себя чихнул, а старший сломал себя, но если это ружье можно представить без нарушения постулатов Эйнштейна, если, другими словами, события допускают причинную связь, то они обязательно не- одновременный.
А теперь вернемся к нашим событиям утраченное право на одновременность. Для этого, оставив дядю в Киеве, вооружим его очень дальнобойным лазерным пистолетом, стреляющим светом, и устроим где-нибудь на Луне огород. Чихая, неуклюжий дядя снова дотрагивается до спускового крючка, пистолет стреляет, легкая «пуля» летит к Луне, но попадает туда, скажем, через полсекунды после того, как там сломался бузинный куст. Теперь мы вправе заявить: оба события причинно не связаны. Дядю, несмотря на его халатность, нельзя винить в разрыве куста. Потому что свет от Киева до Луны (380 тысяч километров) движется больше секунды, а старший на Луне сломался за полсекунды до того, как туда попала яркая пуля. Итак, наши мероприятия получили разрешение на относительную одновременность. Для наблюдателей, которые двигаются по-разному, они будут иметь разную последовательность или совпадать.
Более того, события расположены в пространстве друг от друга: границы их относительной одновременности шире. Расстояние от Земли до ближайшей звезды (Проксимы Центавра) составляет около ста тысяч миллиардов километров. Свет проходит этот путь за четыре года. Я посылаю световой (или радио) сигнал с Земли на Проксиму — и я уверен, что ни одно из земных событий, произошедших в следующие четыре года, не связано причинно с каким-либо событием на Проксиме, которое происходит в любое время в течение четырех предшествующих лет приход земного светового сигнала.
Так что, если отважный писатель-фантаст напишет такую фразу: «когда усталый космонавт обедал на спутнике Проксима, его друзья встретили новый 2067 год в далеком Киеве», не верьте этому писателю-фантасту. По подсчетам наблюдателей в разном движении, обед космонавта может совпасть с началом нескольких новогодних праздников в Киеве!
Сложение скоростей: попытка вернутся в прошлое
Помните бандита Клео? Мало того, он прилетел на Землю, какое-то время скрывался, но его выследил великий крупный сыщик Прошкин. Он последовал за ним и погнался за ним. Спасаясь от погони, Клео устремляется в метро. Возле эскалатора есть контроллер. У пирата нет жетона, и, проскользнув мимо контроллера, он сбегает по эскалатору. Спрашивается: какая скорость у Клеа относительно контроллера? Согласно школьным правилам, эта скорость равна сумме двух скоростей: эскалатора по отношению к контроллеру и Clio по отношению к эскалатору.
Предположим, вопреки вероятности, что скорость эскалатора почти равна скорости света и что Клеа движется по нему так же быстро. Но если так, то, прибавив скорости, можно ли преодолеть светофор? И, следовательно, нарушить третий постулат? И таким образом опрокидывать принцип причинности, то есть переходить от следствий к причинам, перемещаться в прошлое, возвращаться назад во времени?
И вот, убегая от погони, Клиа мечтает: что, если, сбежав на платформу, он оказался в далеком прошлом! И он снова заживет… Но светлые надежды оборваны суровым возгласом:
«Гражданин Клио, вы арестованы. Давай! .. — уставшие глаза майора Прошкина смотрят на бандита и дуло ружья нацеливается.
Бегство в дорогое прошлое не удалось. Наручники сломаны, и захваченный пират идет, опустив голову, к ближайшему полицейскому участку.
Дело в том, что школьное правило прибавления скорости в сверхбыстрой стране не работает. В конце концов, скорость — это расстояние, разделенное на продолжительность, а расстояние и продолжительность являются относительными. Для контроллера счетчики эскалатора короче, чем его собственные, а секунды длиннее. Знаменатель больше, числитель меньше — дробь уменьшается. Следовательно, контроллер, вычисляя общую скорость Клео относительно себя, не может просто сложить скорости эскалатора и Клео. Общая скорость Clio относительно контроллера будет меньше, чем требуется школьными правилами. Достаточно ровно для того, чтобы не нарушать третий постулат.
Вы имеете право строить «многоэтажные» эскалаторы, запускать новые наряду с уже действующими. В крайнем случае, когда скорость каждого эскалатора приближается к скорости света, а Клио мчится по нему почти со скоростью света, общая скорость не достигает точной скорости света.
Так что дорога в прошлое еще закрыта, предел скорости света еще раз подтвержден. И отчетливо видно, насколько сложно разгоняться на высоких скоростях. Чем ближе он приближается к скорости света, тем труднее. И при той же скорости света это становится совершенно невозможным.
Формула
Эйнштейн рассказал нам, как легко оценить количество внутренней энергии в теле. Поскольку энергия эквивалентна массе, ее можно измерить так же, как массу, взвешивая. Причем перевод единиц массы в единицы энергии должен происходить по ставшей сейчас общеизвестной формуле:
E = mc2
(здесь E — энергия в эргах, m — масса в граммах, c — скорость света в сантиметрах в секунду).
Это означает, что один грамм массы любого вещества равен 9 1020 эрг энергии. Или 25 миллионов киловатт-часов. Это касается и конфет, которые мошенник Клио пытался продать состоятельному туристу. При нынешних расценках цена на энергию при продаже на вес составляет один миллион долларов за грамм. Оказывается, доверчивого покупателя Клео не обманула. Поэтому майор Прошкин отпустил его. Но в условиях справедливой торговли покупателя учат использовать покупку. Клеа не рассказала туристу, как получить его 125 миллионов киловатт-часов энергии из конфет. Таким образом, Прошкинская ярмарка расторгла сделку.
Теперь, если бы вы могли сделать «леденец Эйнштейна», высасывая из него всю энергетическую массу (каждый день — 3000 калорий), то он заменял бы вашу пищу на 100 000 лет!
Увы, съев обычную конфету или сжигая полено, мы извлекаем лишь небольшую долю одного процента внутренней энергии вещества. Атомный взрыв высвобождает около процента скрытой энергии. Термоядерные реакции (водородная бомба или ядерный пожар внутри Солнца) составляют два-три процента. А остальная часть гигантской внутренней силы материи крепко скована в глубинах микромира. Ни на Земле, ни на Солнце не лопается. Физики всего мира ищут способы его извлечь.
Может, и все. Хотя упрощенно, но вы познакомились с логикой специальной теории относительности Эйнштейна, вы узнали ее суть.
Наглядный пример
Еще один хороший пример по теме «Теория относительности для чайников». Это не совсем правильно, но очень просто и наглядно. Если объект положить на натянутую ткань, под ним образуется «прогиб» или «воронка». Все более мелкие тела будут вынуждены исказить свою траекторию в соответствии с новой кривизной пространства, и если у тела мало энергии, оно может вообще не пройти через эту воронку. Однако с точки зрения самого движущегося объекта траектория остается прямой, искривления пространства они не почувствуют.
Чем отличается специальная теория относительности от общей теории относительности?
- Специальная теория относительности (СТО была создана в 1905 году): существуют одни и те же законы природы для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью; эта теория исследует физические процессы однородных движущихся тел.
- Общая теория относительности (общая теория относительности была создана в 1915 году): тот же принцип, что и специальная, но включая любые системы отсчета, даже те, которые движутся с ускорением; эта теория изучает ускоряющиеся тела и описывает происхождение гравитации.
Система отсчета — это совокупность опорного тела, системы координат и отсчета времени (они связаны с телом, и по отношению к нему учитывается движение или баланс других тел или точек).
Движение тел и материи должно соответствовать параметрам времени и пространства.