Специальная теория относительности

Сначала речь пойдет о частной теории относительности. В ее основе лежит принцип относительности: все законы природы одинаковы и относительно неподвижных, и относительно равномерно движущихся тел. Казалось бы, все очень просто. Но из этого следует, что и скорость света, огромная величина, относительно любых тел будет одинакова. И вот из этого следует очень много необычных выводов, которые сложно укладываются в голове.

Например, представьте себе, что вы летите на космическом корабле со скоростью 100 000 км/с. На борту установлена лазерная пушка, которая стреляет вперед фотонами. Относительно корабля они летят со скоростью 300 000 км/с. А относительно неподвижного наблюдателя? Казалось бы, скорости должны складываться, но нет! Точнейшие эксперименты показывают, что тоже со скоростью 300 000 км/с. То есть как будто скорость корабля не добавляется!

Относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, с какой бы скоростью вы ни двигались. То, что свет движется всюду одинаково, влечет за собой очень много необычных следствий.

Первое – замедление времени. Вообразите два корабля, которые летят на очень больших скоростях параллельно друг другу на расстоянии. Если один из них посылает световой импульс другому, и тогда он проходит это расстояние за время t’=L’/c, то есть расстояние между ними L’=ct’. Но со стороны мы видим, что свет шел по наклонной траектории. Согласно Эйнштейну, с той же скоростью. Но теперь он прошел другой путь! А именно L=sqrt(L’²+v²t²)=ct. И если отсюда выразить время t, то получится, что на одно и то же действие со стороны свету потребовалось больше времени, чем с точки зрения капитанов кораблей. Значит, время протекает медленнее у движущихся кораблей, нежели у неподвижного наблюдателя. Степень замедления зависит от скорости. Чем она ближе к скорости света, тем медленнее течет время. Самое необычное, что по достижении скорости света время вообще останавливается! И фотоны, движущиеся с этой скоростью, вообще не знают, что такое время. Оно для них остановлено. Их рождение, полет и смерть происходят в один миг.

t’ = t × √ (1 − v²/c²)

Вот видите, предположив, что скорость света всегда одинакова и использовав теорему Пифагора, мы доказали то, что 100 лет назад просто взрывало мозг лучшим физикам планеты. Самое главное, этот эффект на малых скоростях проявляется ничтожно мало, но точнейшие эксперименты, в которых атомные часы сутками летают на самолете, это подтверждают. Это правда! Замедление времени дает о себе знать, когда из космоса, с расстояний в миллионы световых лет, к нам прилетают частицы, которые живут всего доли секунды. Просто они движутся с настолько огромной скоростью, что время у них замедляется очень сильно и они успевают пролететь это расстояние.

Стоит отметить, что замедление времени будет происходить с точки зрения неподвижного наблюдателя. На самих ракетах никто не заметит ничего необычного. Вот именно, что все дело в относительности. Только в относительно движущемся теле проявляется этот эффект.

Теперь становится понятным, почему фотоны, испущенные лазерной пушкой, не движутся быстрей скорости света. Просто там замедляется время. И когда проходит одна секунда, у света, испущенного с корабля, прошла не секунда, а меньше. Поэтому он и проходит меньше, но к этому добавляется скорость корабля, и получается опять же скорость света! Бинго!

Второе. По ходу движения предметы сокращаются! Действительно, длину предмета можно рассчитать, умножив скорость света на время, за которое он пройдет из начала в конец предмета. Но опять же, раз в движении время замедляется, то и длина будет меньше. Представьте себе, если мимо вас будет пролетать ракета длиной в 100 метров со скоростью 250000 км/ч, то по нашим измерениям, ее длина будет около 55 метров.

L’ = L × √ (1 − v²/c²)

Третье. События, одновременные с точки зрения движущегося наблюдателя, будут не одновременны для неподвижного.

Действительно, представьте себе, что спереди и сзади ракеты есть огни, которые загораются при попадании на них светового сигнала, посланного из центра ракеты. Относительно ракеты лампочки загораются одновременно, но относительно неподвижного наблюдателя световой сигнал движется влево и вправо с одинаковой скоростью, а значит, задняя загорится быстрее, чем передняя.

Четвертое. При движении масса тела увеличивается вплоть до бесконечности. Правда, сейчас считается моветоном так говорить, лучше считать, что увеличивается импульс, но это уже тонкости.

И пятое. Согласно специальной теории относительности получается, что энергия рассчитывается так:

Если скорости небольшие, то выражение можно разложить в ряд:

Тут вы можете увидеть кинетическую энергию mv²/2. Остальные слагаемые крайне малы. И если тело покоится, то формула превращается в ту самую, которая является чуть ли не символом теории относительности:

E = mc²

Как видите, даже в покое у тела есть энергия мс²! Это энергия покоя, она есть в каждом теле. Можете даже посчитать, сколько в вас энергии. Проблема в том, что извлечь ее достаточно трудно, ведь для этого ваша масса должна куда-то исчезнуть. Но как раз-таки в ядерных реакциях масса продуктов совсем чуть-чуть отличается от массы реагентов. И эта разница превращается в колоссальную энергию! Например, если потеря массы всего 0,0006 грамма, то выделяется 54 000 000 000 000 Дж энергии! Это энергия ядерного взрыва бомбы, сброшенной на Хиросиму!

Все эти следствия приводят к тому, что скорость света – максимально возможная скорость движения тел и распространения информации. Ведь если ее превысить, время и длина теряют смысл. А для тел, имеющих массу, она вообще недостижима, ведь при разгоне масса увеличивается до бесконечности, и никакой энергии не хватит, чтобы достичь скорости света. Так могут двигаться только безмассовые частицы, например фотоны.

Вот так и получается, что у каждого движущегося объекта могут быть свое собственное время и свои размеры. И это поистине удивительно, ведь получается, что такие абсолютные величины, как время, длина и энергия, относительны.

Теория относительности учитывается при движении электронов в крупных атомах, где их скорость может быть близка к скорости света. Она может объяснить притяжение к электромагнитам, ведь при пропускании электрического тока заряды определенного знака начинают двигаться, при этом сокращаясь и уплотняясь, и тем самым создавая силу электрического притяжения, хотя мы привыкли называть это магнетизмом. Теория относительности дала ключ к пониманию процессов в ядре и многому другому, всего не перечислить.