Как известно, вся материальная вселенная имеет три измерения: вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад. Четвертое измерение – время. Вместе они составляют пространственно-временной континуум. Но загвоздка в том, что наши представления о пространстве и времени напрямую зависят от скорости, с которой мы движемся.
Именно связь между временем, пространством и движущимся объектом описывает специальная теория относительности (СТО), разработанная Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Позднее на ее основе великий физик создал и общую теорию относительности (ОТО), который, помимо времени и пространства, учитывает и другие факторы, например гравитацию. Мы не будем об этом говорить — это потребовало бы отдельной научной работы. Итак, приступим к изучению специальной теории относительности!
Основные принципы теории относительности
Первое, что нужно понять, чтобы освоить теорию относительности, это то, что движение относительно.
Это означает, что наличие или отсутствие движения всегда определяется относительно других объектов. Движение и его скорость зависят от наблюдателя (того, кто смотрит на объект) и системы отсчета (откуда он смотрит).
Представьте, что пассажир едет в поезде и читает книгу. Для него книга неподвижна, как и сиденья в поезде, и остальные пассажиры (если они сидят на своих местах, а не пробираются в вагон-ресторан, конечно). Скорость всех неподвижных объектов в поезде, с точки зрения нашего пассажира-читателя, будет равна нулю.
В это время на перроне стоит другой человек, мимо которого свистит поезд. Для него и пассажир с книгой, и стулья движутся со скоростью поезда, скажем, 200 км/ч. Но пассажиры на пути к вагону-ресторану, расположенному в голове поезда, будут двигаться еще быстрее: их скорость будет складываться со скоростью поезда.
Это происходит при любом добавлении скоростей, но есть одно исключение: скорость света. Свет от прожектора на носу нашего поезда всегда будет двигаться с одной скоростью — 300 000 км/с.
Здесь мы вплотную подошли к основным принципам, на которых построена теория относительности:
- Принцип относительности: для тех тел, которые движутся друг относительно друга с постоянной скоростью или неподвижны (как пассажир и его книга), физические процессы протекают одинаково .
- Принцип постоянства скорости света: скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости относительно источника света. То есть свет от лампы на носу поезда или свет от прожектора на космическом корабле имеют одинаковую скорость.
Свет распространяется так быстро, что его распространение кажется нам мгновенным. Но на космических расстояниях все выглядит совсем иначе. Например, расстояние от Солнца до Земли, которое составляет 150 миллионов километров, свет проходит примерно за 8 минут. Это означает, что если Солнце когда-либо погаснет, то мы увидим его только через 8 минут.
Последствия теории относительности
Что следует из описанных выше принципов и как они связаны со временем и пространством? Теория относительности имеет три основных следствия: пространство расширяется, время сжимается и масса увеличивается. Разберемся с каждым по порядку.
Время сжимается
Эйнштейн первым понял, что время не является абсолютным и зависит от системы отсчета, в которой мы его наблюдаем. Земля и далекая галактика на другом конце Вселенной находятся в разных точках не только в пространстве, но и во времени.
По сравнению с движущимися объектами время течет медленнее. Этот факт был проверен с помощью двух одинаковых атомных часов: один прибор оставили на Земле, а другой отправили на сверхзвуковом самолете вокруг планеты. Во время посадки было замечено, что летящие часы отставали от часов в состоянии покоя на несколько тысячных долей секунды.
Чем ближе скорость объекта к скорости света, тем медленнее для него течет время. Теоретически, если астронавт путешествует на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, он попадет в будущее. Для него это займет несколько недель, а на Земле - несколько десятков лет. Это относительность времени.
Пространство сжимается
Еще одно удивительное следствие теории относительности состоит в том, что, когда мы видим объект в движении, мы можем заметить, что он становится все короче и короче по мере увеличения его скорости. С точки зрения наблюдателя при приближении к скорости света объект становится все короче и короче в направлении движения, а перпендикулярно ему остается того же размера.
Допустим, мы посадили космонавта в космический корабль, способный двигаться со скоростью света, а сами отправляемся в уютную обсерваторию, чтобы наблюдать за его путешествием. Когда корабль приблизится к скорости света, начнет происходить что-то странное. Мы заметим, что он становится все короче и короче. Но изменения происходят только по отношению к направлению движения, ширина корабля остается неизменной. Достигнув скорости света, он станет почти неразличим по длине.
Может быть, нашему космонавту сейчас не очень весело? За него не беспокойтесь: для космонавта нет сдачи. Он по-прежнему радостно мчится к космическим просторам и ничего не замечает. Пространство сжимается только относительно наблюдателя.
Увеличение массы
Другое поразительное следствие теории относительности состоит в том, что по мере увеличения скорости объекта увеличивается и его масса.
Масса и энергия неразрывно связаны. Именно это Эйнштейн выразил в знаменитом уравнении E = mc². Эта формула показывает, что энергия тела пропорциональна его массе. При передаче энергии телу (то есть его ускорении) увеличивается и масса. Получается, что часть энергии идет на увеличение скорости, а другая часть на увеличение массы.
Подумайте о нашем астронавте, который приближается к скорости света на своем корабле. Наблюдая с Земли, мы видим, что по мере увеличения скорости корабля разгонять его становится все труднее, то есть для его толкания требуется все больше и больше энергии. Наступает момент, когда корабль достигает такой массы, что никакая энергия во Вселенной уже не может его сдвинуть. Именно поэтому на практике путешествия во времени пока невозможны.
Короче
Итак, при приближении к скорости света время расширяется, пространство сжимается. Но все это происходит только в глазах наблюдателя, который видит движение предмета относительно самого себя. Для космонавта в корабле ничего не меняется (кроме увеличения массы). Но обе точки зрения верны. Поэтому теория относительности носит такое название.
Все еще не очень понятно? Неудивительно, ведь самому Эйнштейну понадобилось 10 лет, чтобы сформировать основные постулаты теории относительности. Есть книга, которая поможет вам снова уложить эти принципы в голову и объяснить все буквально на пальцах, с яркими картинками и доступными графиками. «Теория относительности» от редакции издательства «Аванта» АСТ адресована школьникам средних классов, но будет интересна любому взрослому, желающему проникнуть в тайны нашей Вселенной. Ведь то, что кажется чудом, на самом деле является реальностью!
Купить книгу