ЧАСТНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ [ИАН НИКОЛСОН]
В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879 — 1955), тогда скромный служащий Швейцарского патентного бюро в Берне, опубликовал работу, посвященную частной (специальной) теории относительности, которая разрешила проблемы электродинамики и эксперимента Майкельсона-Морли и окончательно разрушила шаткие основы классических понятий пространства и времени. Эта теория основывалась на двух положениях.
Согласно первому из них, принципу относительности, все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение такой лабораторной системы никак не отражается на результатах проводимых в ней опытов, если она не ускоряется и не вращается. Все равномерно движущиеся относительно друг друга наблюдатели из результатов своих экспериментов должны вывести одни и те же физические законы. Принцип относительности устранил различия в проявлении законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы отсчета и отбросил как ненужную идею о неподвижном эфире ньютоновского абсолютного пространства. Фундамент, на котором более двух столетий покоилось здание физики, был сметен одним ударом.
Второе положение теории Эйнштейна — это постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Другими словами, скорость света, измеренная любым равномерно движущимся наблюдателем, не зависит от относительной скорости перемещения источника света и наблюдателя. Казалось бы, это противоречит здравому смыслу. Если два поезда приближаются друг к другу и каждый из них движется со скоростью 100 км/ч, то мы незамедлительно называем величину их относительной скорости: 100+100=200 км/ч. Если же космический корабль приближается к какому-то источнику света со скоростью 100 000 км/с и если свет от этого источника распространяется со скоростью 300 000 км/с, то тут здравый смысл подсказывает нам, что относительная скорость космического корабля и света, измеренная экипажем, должна бы быть равна 400 000 км/с. Однако частная теория относительности утверждает, что в этом случае наблюдатель определит скорость приходящего к нему света по-прежнему равной 300 000 км/с. Скорость корабля никак не скажется на величине измеренной скорости световых лучей.
Хотя выводы такого рода могут показаться абсурдными, они полностью согласуются с результатом опыта Майкельсона-Морли и неудачей всех остальных экспериментов, призванных продемонстрировать влияние относительного движения источника и наблюдателя на измеренную величину скорости света. Вселенная устроена так, что все наблюдатели должны получить в результате своих измерений одно и то же значение скорости света. Перед лицом не подлежащих никакому сомнению результатов, полученных в множестве самых точных и сложнейших экспериментов, нам не остается ничего другого, как признать истинным вывод о постоянстве скорости света, хотя он и противоречит тому ограниченному опыту наших знаний, который именуется «здравым смыслом».
Результаты измерения места и времени одного и того же события, полученные наблюдателями, находящимися в равномерном относительном движении, связаны между собой соотношениями, которые называются преобразованиями Лоренца. Эйнштейн видоизменил уравнение механики Ньютона таким образом, что вместе с уравнениями Максвелла и скоростью света они оказались инвариантными (т. е. имеющими один и тот же вид в различных системах координат) по отношению к преобразованиям Лоренца. Располагая этими уравнениями, физики могут установить, как соотносятся друг с другом данные, полученные разными наблюдателями. Из положений частной теории относительности Эйнштейна следует ряд любопытных выводов.
Сокращение длины. Как отмечали ранее Лоренц и Фицджеральд, движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Если космический корабль проносится с большой скоростью мимо покоящегося наблюдателя (мы называем его так, хотя знаем, что ничего истинно неподвижного во Вселенной нет), то этому наблюдателю длина корабля покажется короче действительной на величину, зависящую от скорости движения корабля. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным становится этот эффект, и, если бы корабль мог двигаться точно со скоростью света с, его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю. Относительное уменьшение длины при различных отношениях скорости объекта к скорости света приведены в табл. 1.
Что же касается экипажа космического корабля, то он не заметит никакого сокращения этой длины. Для него все будет оставаться по-прежнему. Однако экипаж заметит, что корабль «покоящегося» наблюдателя уменьшится в длине, поскольку величина относительной скорости для каждого из кораблей одна и та же.
Замедление времени. В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее, чем в лаборатории «неподвижного» наблюдателя. Если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей с большой скоростью ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее его собственных. Этот эффект становится все более заметным по мере приближения скорости ракеты к скорости света (см. табл. 1); если бы ракету можно было разогнать до скорости с, то для покоящегося наблюдателя время внутри нее остановилось бы. Время, измеряемое по часам какого-либо наблюдателя, называется его собственным временем; все другие часы, движущиеся по отношению к этому наблюдателю, идут медленнее, чем его собственные часы.
Эффект замедления времени на борту ракеты касается буквально всего, включая атомные процессы и даже биологические ритмы экипажа. В противном случае нарушился бы принцип относительности, поскольку тогда экипаж имел бы возможность производить измерения, обнаруживающие факт движения корабля; например, люди заметили бы, что они стареют чуть быстрее, чем это должен отмечать ход их хронометра. Для астронавтов на борту корабля все происходит без отклонений от нормы, но, с точки зрения земного наблюдателя, члены космического экипажа стареют медленнее, чем их земные двойники. Если один из двух близнецов совершит длительное космическое путешествие со скоростью, близкой к скорости света, то по возвращении на Землю он обнаружит, что оставшийся дома его брат стал гораздо старше его самого. Пусть, например, в 20-летнем возрасте Джейн отправляется в путешествие к звезде, отстоящей на 21 св. год от Земли; ее космический корабль движется со скоростью, составляющей 99% скорости света, а ее брат-близнец Джон остается на Земле. Тогда, если не считать времени на ускорение и замедление ракеты, Джейн вернется домой чуть более 42 лет по земному времени, когда Джону исполнится уже 62 года. Для Джейн же это путешествие займет всего около 6 лет.
Этот результат может показаться забавной шуткой, однако эффект замедления времени был подтвержден многими экспериментами, и сегодня нет никаких сомнений в том, что все описанное здесь именно так должно происходить в действительности. Например, космические лучи (заряженные субатомные частицы, попадающие на Землю из космоса), соударяясь с атомами присутствующих в атмосфере газов, порождают новые частицы с очень коротким временем жизни — мюоны, которые распадаются в среднем за период около 0,000002 с в той системе отсчета, где они покоятся. Эти частицы образуются на высоте не менее 10 км над поверхностью Земли; даже если бы они двигались со скоростью, очень близкой к скорости света, то при отсутствии эффекта замедления времени до момента распада они едва пролетали бы расстояние в 1 км. Но из-за высокой скорости движения мюонов замедление времени оказывается настолько значительным, что эти частицы вполне успевают долететь до поверхности Земли, где их неоднократно наблюдали.
Некое секретное общество устраивает секретное собрание, чтобы обсудить, что делать с секретами, которые им доверило другое секретное общество, - иначе говоря, как им лучше сохранить этот секрет. Они решают, что самый надежный способ – это извлечь секрет из секретного хранилища и секретным образом переправить его в другое место. Но, на беду им, новый тайник обнаруживают посторонние люди. Они специально не охотятся за этими секретами, но проявляют к ним чрезмерное любопытство.
Такое объяснение предложили в 1941 г. Б. Росси и Д. Б. Холл, и многочисленные лабораторные эксперименты, проведенные с тех пор с целью обнаружения короткоживущих субатомных частиц, полностью подтвердили предсказания частной теории относительности. Так, В 1971 г. Дж. К. Хафеле и Р. Е. Китинг осуществили прямую проверку эффекта замедления времени, отправив атомные часы в «кругосветное путешествие» на реактивном самолете и сравнив их ход с ходом таких же «покоящихся» часов в лаборатории ВМС США; результат этого эксперимента находился в полном согласии с теорией.
Однако у некоторых членов секретного общества имеются собственные секретные планы, они секретным образом встречаются с охотниками за секретами и выдают им часть тайной информации. Эти члены секретного общества понимают, что, поскольку секреты постоянно множатся, хранить их в тайне становится все труднее; однако намеренная утечка информации несколько облегчает их тяжелую задачу. Они напускают побольше туману, публика довольна, а они спокойно продолжают свое дело, тем более что некоторые новые секреты противоречат старым.
Эффект замедления времени открывает возможность путешествий во времени — но только в будущее. Путешествие в прошлое, согласно этой теории, невозможно.
Увеличение массы. Пытаясь согласовать с частной теорией относительности второй закон Ньютона, Эйнштейн обнаружил еще одно следствие своей теории: масса тела зависит от скорости его движения. Масса движущегося тела, с точки зрения «неподвижного» наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела (т. е. массы, которую тело имело бы в системе отсчета наблюдателя). Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше становится его масса, и если бы тело могло двигаться точно со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности. Отсюда следует, что никакое тело с отличной от нуля массой (покоя) нельзя разогнать до скорости света, так как даже для небольшого ускорения тела, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, необходима энергия огромной величины: чтобы разогнать до скорости света точку над буквой i, потребуется бесконечная энергия. При наличии достаточных энергетических ресурсов можно как угодно близко подойти к скорости света, но достичь ее точного значения невозможно. Скорость света — это абсолютный предел для скоростей материальных частиц.
Эквивалентность массы и энергии. Еще одно следствие частной теории относительности, связанное с непостоянством массы движущихся тел, — взаимосвязь массы и энергии: масса может превращаться в энергию, а энергия — в массу. Если некоторая масса М превращается в энергию, то количество высвобожденной энергии Е определяется формулой: Е = М*с2, где с — скорость света. Так как скорость света очень велика, а ее квадрат — еще больше, то из этой формулы следует, что распад вещества сравнительно небольшой массы приводит к выделению огромного количества энергии. Эта сторона частной теории относительности оказалась чрезвычайно важной для понимания процессов, происходящих в Солнце и других звездах, а также для использования ядерной энергии. К сожалению, это же следствие частной теории относительности послужило теоретической базой для создания и последующего накопления огромных запасов смертоносного ядерного оружия, грозящего миру и сегодня. В связи с этим Эйнштейн как-то сказал: «Если бы я мог такое предвидеть, то стал бы часовщиком».
Частная теория относительности
Принцип эквивалентности Эйнштейна
Следствия принципа эквивалентности
Искривленное пространство-время
История Вселенной
Николсон И. Тяготение, черные дыры и Вселенная: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Н. В. Мицкевича. — М.: Мир, 1983. — 240 с, ил.
[17.09.2010]