Политика
Платье из Англии в подарок для красавицы!
Проект / Авторы / Фотогалереи / Добро / Энциклопедия о Курска / Про Курск / Партии

Плохие новости должны приходить быстро. Дон Корлеоне
Поиск по сайту:




Для выпускного вечера, студенческих и школьных вечеринок



  


Специальная теория относительности

Постулаты Эйнштейна

Новый взгляд на природу движения разработал в первой четверти прошлого столетия великий ученый Альберт Эйнштейн. Это была теория относительности. Теория относительности состоит из двух частей. Первая часть называется специальной (или частной) теорией (сокращенно - СТО). Она исследует быстрые равномерные прямолинейные движения вне гравитационных полей. Вторая часть - общая теория относительности (сокращенно - ОТО) охватывает неравномерные движения и гравитационные поля.

Начнем со специальной теории. Постараемся вкратце проследить логику ее построения и выводов. Главное своеобразие физики Эйнштейна заключается в том, что движение вещества она сопоставляет с поведением света. Фундаментом СТО служат два постулата, объединяющие основные свойства движения вещества и света. Первый постулат: равномерные прямолинейные движения невозможно отличить от покоя. То и другое физически равноценно. Второй постулат: скорость света не зависит от движения светового источника.

По отдельности постулаты ничуть не странны. В закрытой каюте невозможно узнать, движется корабль (плавно, без толчков и тряски) или стоит возле пристани. Вместе с тем легко поверить, что световые волны распространяются одинаково быстро от движущегося и неподвижного фонаря. Ведь именно так ведут себя звуковые волны, волны на воде и так далее. Как видите, каждый постулат сам по себе понятен и логичен.


Однако соединенные вместе, они выглядят несовместимыми. Вторым, казалось бы, опровергается первый. В самом деле: резонно думать, что равномерное прямолинейное движение возможно обнаружить относительно световых волн и, значит, отличить его от покоя, что противоречит первому постулату. Когда пилот быстроходного самолета перестает слышать рев собственных двигателей, он знает, что обогнал звук и мчится быстрее звуковых волн.

Со светом подобное невозможно (в 1881 году американский физик Майкельсон доказал это экспериментом). Как бы быстро не мчалась ракета, свет ее прожектора всегда бьет вперед с неизменной скоростью – 300.000 км/сек. Изменить свою скорость относительно световых волн невозможно. Поэтому, воспользовавшись светом, невозможно отличить равномерное прямолинейное движение ракеты от покоя, несмотря на то, что скорость света не зависит от движения источника.
Из постулатов Эйнштейна вытекают очень важные следствия.

Относительность одновременности

Два удаленных друг от друга стрелка стреляют из пистолетов. Каждый выстрел назовем событием. Согласимся считать эти события одновременными, если световые вспышки выстрелов вместе приходят в середину расстояния между ними. Таково эйнштейновское определение одновременности. Запомните это.

Пусть стрелки находятся на корме и носу длинного парохода, который очень быстро (почти со скоростью света), но равномерно и прямолинейно движется по реке. И есть двое судей, оценивающих последовательность вспышек: точно посередине парохода – капитан, а на берегу реки – бакенщик.

Допустим далее, что к капитану вспышки пришли вместе. И что в тот же миг капитан оказался точно напротив бакенщика, который поэтому тоже видит сразу обе вспышки. Стоя посередине между стрелками, капитан утверждает, что выстрелы одновременны. Но бакенщик не может признать этого, так как в момент прихода к нему вспышек он находился не посередине своего (берегового) расстояния между выстрелами: пока свет вспышек шел к капитану и бакенщику, пароход успел сместиться вперед относительно берега. Поэтому кормовая вспышка прошла до бакенщика больший путь, и, чтобы дойти к нему вместе с носовой, она должна была произойти раньше.

Может показаться, что такое противоречие вызвано движением капитана. Но, вспомнив первый постулат, допустим, что капитан вместе с пароходом неподвижны, а бакенщик вместе с берегом, Землей и всей Вселенной движутся в обратную сторону с той же скоростью. Поскольку скорость световых волн не зависит от скорости их источников (второй постулат), то оценка последовательности выстрелов останется прежней. Капитан признает выстрелы одновременными, бакенщик – неодновременными. Так всеобщая абсолютная одновременность, возможность которой подразумевалась в классической физике, пропадает. Вместо нее выходит на сцену относительная одновременность событий, существующая лишь для какого-то конкретного, определенным образом движущегося наблюдателя.

Разные наблюдатели могут устанавливать даже неодинаковую очередность одних и тех же событий. Например, если по отсчету бакенщика первым был выстрел кормового стрелка, то летчик сверхбыстрого самолета, обгоняющего наш пароход, зарегистрирует первенство носового выстрела.

Все эти эффекты чрезвычайно тонки. Они отмечаются лишь при движении с гигантскими относительными скоростями, сравнимыми со скоростью света. Важно, чтобы наблюдатели успевали заметно сместиться за то крохотное время, пока световые вспышки пробегают расстояние между событиями.

Вообще промежуток времени между событиями, которые могут быть одновременными или неодновременными для наблюдателей, движущихся по-разному, не может превышать длительности распространения света от одного события к другому (для привычных нам земных расстояний – миллионные и миллиардные доли секунды). Именно поэтому относительность одновременности совершенно несущественна в классической механике, а в физике быстрых движений она играет ключевую роль.

Свет и причинность

Пусть наши стрелки – дуэлянты. События – выстрел одного и смерть другого. Тут разнобой мнений об очередность событий недопустим. Не может быть, чтобы по отсчету какого-нибудь наблюдателя сначала упал сраженный дуэлянт и только потом произошел выстрел. Причина должна предшествовать следствию – таков универсальный принцип причинности.

Чтобы подобных нелепостей не случилось и принцип причинности неукоснительно соблюдался, пуля стрелка относительно любого наблюдателя не должна лететь быстрее света. Только при этом условии любой наблюдатель сначала сможет зарегистрировать выстрел. Тогда в середину расстояния между дуэлянтами для всех наблюдателей сначала придет световая вспышка от выстрела, потом там же пролетит пуля и еще позже туда (с другой стороны) придет световой образ сраженного дуэлянта. Принцип причинности не нарушится.

Запрет на сверхсветовые скорости касается перемещения любых сигналов и действий – всего того, что может связывать причины со следствием.

Относительность времени

Для капитана выстрелы одновременны – значит, промежуток времени между ними равен нулю. Для бакенщика выстрелы неодновременные – значит, эти события разделены во времени. Мгновение капитана (даже нулевое) у бакенщика растягивается в какую-то длительность.

Подобно этому очень малая по мнению капитана длительность ("почти мгновение") по отсчету бакенщика тоже растянется, станет больше. Значит, для бакенщика время капитана оказывается замедленным.

И наоборот, если стрелки стоят на берегу и бакенщик зафиксирует одновременность выстрелов, они будут неодновременны для капитана. По его отсчету – замедляется темп времени бакенщика. Вот вам кажущийся парадокс: по часам капитана бакенщик стареет медленнее, чем сам капитан, а по часам бакенщика медленнее стареет капитан. На самом деле никакого парадокса нет. В мире сверхбыстрых движений это удивительное явление существует, доказано опытом.

Сюда относится и знаменитый парадокс близнецов. Космонавт, летевший какое-то время с высокой скоростью вне Земли, возвратившись, окажется моложе своего брата-близнеца, оставшегося дома. Тут нет взаимности замедления времени. Медленнее стареет именно космонавт, ибо законным является отсчет его брата-домоседа, который не испытывал ускорений. А космонавт испытывал ускорения, повороты, замедления (иначе он не улетел бы с Земли и не вернулся обратно), поэтому его отсчеты выпадают из поля зрения СТО, так как эта теория не рассматривает поведения тел в ускоренных системах отсчета.

Относительность расстояний

Теперь наш сверхбыстрый пароход движется мимо ленты, которую разложил на берегу бакенщик. По измерениям бакенщика длина ленты, допустим, 100 метров. Но капитан с этим не согласен. Для капитана лента короче.

Чтобы измерить длину ленты с мчащегося корабля, капитан одновременно (для себя!) засекает на палубе точки, совпадающие с ее концами, и потом спокойно отмеряет расстояние между засечками. Но для бакенщика засечки сделаны неодновременно. Сперва, по его мнению, засечено начало ленты (где-то против кормы проносящегося парохода), потом – конец. Между моментами засечек корабль успел переместиться вперед – вот и вышло, что на пароходе засечки ближе друг к другу, чем следовало бы по отсчетам бакенщика.

Однако ошибки в измерении капитана не было. Его отсчет исполнен точно. Разница же итогов измерений – результат относительности одновременности. В свою очередь бакенщик, измеряя таким же способом длину парохода, найдет его более коротким, чем капитан.

По отсчетам любых наблюдателей длины предметов, проносящихся мимо, сокращаются. Для каждого путешественника сокращается длина всего проходимого им расстояния. И тем заметнее, чем ближе его скорость к скорости света.

Относительность массы

Капитан бежит по палубе (от кормы к носу), пароход мчится по реке. Ставится задача: узнать скорость капитана относительно берега. Пока скорости невелики, их можно просто сложить. Но вообразите (вопреки правдоподобию), что не только пароход мчится по реке почти со скоростью света, но и капитан несется столь же быстро относительно палубы. Простое сложение дало бы запрещенную сверхсветовую скорость капитана относительно берега.

На самом деле в отсчетах бакенщика (берегового наблюдателя) скажется замедление времени и сокращения расстояний корабля относительно берега. Поэтому скорости сложатся иначе и суммарная будет меньше световой. Так сохраняется ограничение, наложенное принципом причинности: перегнать свет невозможно. Ничто вещественное не может даже догнать свет.

Если капитан бросит вперед камень и с точки зрения капитана этот камень приобретет значительное ускорение, то с точки зрения бакенщика оно будет гораздо меньше, ведь невозможно разогнать камень быстрее света.

Разницу в ускорении мы вправе истолковать как разницу в инерции камня. Можно считать, что для капитана инерция камня меньше, чем для каменщика. Другими словами, масса (которой измеряется инерция) оказывается относительной. Масса тела зависит от скорости наблюдателя, от скорости системы отсчета. В сверхбыстром мире масса растет с увеличением скорости.

Энергия вещества

С возрастанием скорости растет и энергия тела, его способность совершить работу. Значит, масса и энергия растут вместе. Вблизи скорости света то и другое стремительно увеличивается. Инерция становится непреодолимо огромной, энергия – сколь угодно большой. Отсюда делается вывод об эквивалентности массы и энергии. Масса и энергия – две эквивалентные характеристики движущегося тела.

Правда, когда тело останавливается в какой-либо системе отсчета, масса его не пропадает – сохраняется масса покоя. А энергия, казалось бы, исчезает. Но на самом деле это не так. Энергия остается и в теле, остановленном относительно наблюдателя.

Камень, лежащий на вашей ладони, лишь внешне спокоен. Он неподвижен лишь как целое тело. Внутри, в своем микромире, он насыщен незаметными для глаза движениями. Колеблются, дрейфуют атомы, кружат электроны и так далее. Это внутреннее движение обусловливает существование внутренней энергии камня, которая тоже подчиняется закономерностям СТО. Значит, и внутренняя энергия эквивалентна некоторой массе. Это и есть масса покоя.

Зная массу покоя тела, которая измеряется простым взвешиванием, легко вычислить запас его внутренней энергии. Подсчет делается по знаменитой формуле Эйнштейна:
Е = mc2

(Е – энергия в эрах, m – масса в граммах, с – скорость света в сантиметрах в секунду). Граммы массы дважды множатся на скорость света – так они переводятся в единицы энергии (эрги). В грамме любого вещества сосредоточено 9 * 1020 эргов, или 25 миллионов квт/ч энергии.

СТО и окружающий мир

СТО резко меняет привычные представления об устройстве мира. Во Вселенной нет сверхсветовых скоростей для всего, что способно служить сигналом или действием. Вопреки предположению Ньютона, нет в мире и всеобщего независимого от материи времени. Длительности, сроки, темп хода часов тесно связаны с движением систем отсчета. Отсутствует ньютоновское "абсолютное" пространство, эта незыблемая пустота, сковавшая в себе костяк расстояний. В действительности расстояния податливы, зависят от скорости путника. Например, для нас от Земли до Сириуса 1014 км, а для фантастически быстрого космонавта, мчащегося к Сириусу со скоростью 260.000 км/сек, - вполовину меньше. При 0,9999 скорости света тот же путь будет в 70 раз меньше.

Казалось бы, поразительный эффект сокращения расстояний в сочетании с парадоксом близнецов открывает надежду на сверхдальние звездные путешествия, совершаемые за годы, месяцы, даже дни собственного ракетного времени. Однако относительность массы эту надежду отвергает: при околосветных скоростях слишком возрастает инерция ракеты и для ее ускорения понадобилась бы небывалая энергия. Сделан подсчет: чтобы облететь нашу Галактику за десятилетия собственного времени, на разгон и торможение весьма скромной ракеты ушло бы, самое малое, столько энергии сколько излучает Солнце за сто миллионов лет. По-видимому, галактические полеты на ракетах – фантазия неосуществиямая.

Зато та же относительность массы в совокупности с законом эквивалентности массы и энергии подарила нам огромное богатство – указала на гигантские энергетические склады в любом веществе или теле. Даже при ядерных реакциях освобождается лишь очень малая доля этой внутренней энергии – около процента. Во всем мире физики ищут пути более полного ее освоения. И уже известны процессы (например, аннигиляция), при которых вещество целиком превращается в излучение, освобождая всю свою энергию.


Наконец, специальная теория относительности (сокращенно - СТО) решила задачу об источнике движения мировой материи. Если в механике Ньютона вещество Вселенной признавалось неспособным к самодвижению и, чтобы "пустить мир в ход", сообщить веществу энергию, потребовалась гипотеза "божественного толчка", то физика Эйнштейна утвердила принципиальную неразделимость движения и материи. Уже в постулатах Эйнштейна вещество лишилось абсолютного покоя, свет - даже относительного. А закон эквивалентности массы и энергии указал на неуничтожимость движения вплоть до сокровенных глубин микромира.
















Абакан

Великие Луки

Ессентуки

Кострома

Мытищи

Новоуральск

Пятигорск

Сызрань



     RSS-подписка на новости