Теория относительности Эйнштейна — всегда представлялась чем то абстрактным и непонятным для меня. Попробуем описать теорию относительности Эйнштейна простыми словами. Представьте, как вы находитесь на улице в сильный дождь и ветер дует вам на спину. Если вы начнете быстро бежать, капли дождя не будут попадать на спину. Капли будут медленнее или вовсе не достигать вашей спины, это научно доказанный факт, да и сами вы сможете проверить это в ливень. А теперь представим, если бы вы обернулись и побежали против ветра с дождем, капли будут сильнее попадать на одежду и лицо, чем если бы вы просто стояли.
Ранее ученые думали, что свет действует как дождь в ветреную погоду. Они думали, что если Земля двигается вокруг Солнца, а Солнце двигается вокруг галактики, то возможно измерить скорость их движения в пространстве. По их мнению, все что им остается сделать это измерить скорость света и то как она изменяется относительно двух тел.
Ученые это сделали и обнаружили что-то очень странное . Скорость света была такой же, несмотря ни на что, как бы тела не двигались и не важно в каком направлении проводить измерения.
Это было очень странно. Если брать ситуацию с ливнем, то при обычных обстоятельствах капли дождя будут воздействовать на вас сильнее или слабее в зависимости от ваших передвижений. Согласитесь, было бы очень странно, если бы ливень с одинаковой силой дул вам в спину, как при беге, так и при остановке.
Ученые обнаружили, что свет не имеет такие же свойства, как капли дождя или что-то другое во вселенной. Независимо от того, как быстро вы двигаетесь, и независимо от того, в каком направлении вы направляетесь, скорость света всегда будет одинаковой . Это очень запутанно и только Альберт Эйнштейн смог пролить свет на эту несправедливость.
Эйнштейн и еще один ученый, Хендрик Лоренц выяснили, что есть только один способ объяснить, как все это может быть. Это возможно только в том случае, если время замедляется.
Представьте, что произойдет, если время замедлится для вас, а вы при этом не знаете, что двигаетесь медленнее.Вам будет казаться, что все остальное происходит быстрее
, всё вокруг вас будут двигаться, как в фильме в быстрой перемотке.
Итак, теперь давайте представим, что вы снова при ливне с ветром. Как такое возможно, что дождь будет воздействует на вас одинаково, даже если вы бежите? Выходит если бы вы пытались убежать от дождя, то ваше время бы замедлилось, а дождь — ускорился . Капли дождя попадали бы вам на спину с такой же скоростью. Ученые называют это расширение времени. Независимо от того, насколько быстро вы двигаетесь, ваше время замедляется, по крайней мере для скорости света это выражение справедливо.
Двоякость измерений
Другое, что Эйнштейн и Лоренц выяснили, это то, что два человека при разных обстоятельствах могут получить разные расчетные значения и самое странное, что они оба будут правы. Это еще один побочный эффект того, что свет всегда движется с одинаковой скоростью.
Проведем мысленный эксперимент
Представьте, что вы стоите в центре своей комнаты, и вы установили лампу прямо посередине комнаты. Теперь представьте, что скорость света очень медленна, и вы можете видеть, как он распространяется, представьте, что вы включили лампу.
Как только вы включите лампу, свет начнет расходится и освещать. Поскольку обе стены находятся на одном и том же расстоянии, свет достигнет обе стены одновременно.
Теперь представьте, что в вашей комнате есть большое окно, и ваш знакомый проезжает мимо. Он увидит уже другое. Для него это будет выглядеть так, как будто ваша комната движется вправо и когда вы включите лампу, он увидит, что левая стена движется к свету. а правая стена отодвигается от света. Он увидит, что свет сначала попал в левую стену, а потом на правую. Ему покажется, что свет не осветил обе стены одновременно.
Согласно теории относительности Эйнштейна, обе точки зрения будут правы . С вашей точки зрения, свет попадает в обе стены одновременно. С точки зрения вашего знакомого 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 тот, кто движется с другой скоростью или в другом направлении, не сможет их измерить одинаково с вами.
Нам это кажется очень странным, потому что скорость света для нас мгновенная, и мы двигаемся очень медленно по сравнению с ней. Поскольку скорость света настолько велика, мы не замечаем скорость распространения света, до тех пор пока не будем проводить специальные эксперименты.
Чем быстрее движется предмет, тем он короче и меньше
Еще один очень странный побочный эффект того, что скорость света не изменяется. При скорости света движущиеся вещи становятся короче.
Опять же, давайте представим, что скорость света очень медленная. Представьте, что вы едете в поезде, и вы установили лампу посередине вагона. Теперь представьте, что вы включили лампу, как в комнате.
Свет будет распространяться и одновременно достигнет стен спереди и сзади вагона. Таким образом вы можете даже измерить длину вагона, измерив, сколько времени потребовалось свету достигнуть обеих сторон.
Проведем расчеты:
Представим себе, что для прохождения 10 метров требуется 1 секунда и чтобы свет распространился от лампы до стены вагона потребуется 1 секунда. Это значит, что лампа находится на расстоянии 10 метров от обеих сторон вагона. Так как 10 + 10 = 20, то значит длина вагона 20 метров.
Теперь давайте представим, что ваш знакомый находится на улице, наблюдая, как поезд проходит мимо. Помните, что он видит вещи по другому. Задняя стена вагона движется к лампе, а передняя отодвигается от нее. Таким образом для него свет не будет касаться передней и задней части стены вагона одновременно. Сначала свет дойдет до задней части, а потом до передней.
Таким образом если вы и ваш знакомый измерите скорость распространения света от лампы до стен, вы получите разные значения, при этом с точки зрения науки оба расчета будут верны. Только для вас, согласно измерениям, длина вагона будет одного размера, а для знакомого длина вагона будет меньше .
Помните, все дело в том, каким образом и при каких условиях вы производите измерения. Если бы вы оказались внутри летящей ракеты, которая движется со скоростью света, вы бы не почувствовали ничего необычного, в отличие от измеряющих ваше движение людей на земле. Вы не смогли бы понять, что время для вас идет медленнее или что передняя и задняя часть корабля вдруг стали ближе друг к другу.
При этом, если бы вы летели на ракете, то вам казалось бы так, как будто все планеты и звезды пролетают мимо вас со скоростью света. В таком случае если вы попробуете измерить их время и размер, то по логике для них время должно замедлится, а размеры уменьшаться, правильно?
Все это было очень странно и непонятно, но Эйнштейн предложил решение и объединил все эти явления в одну теорию относительности .
Революционный физик использовал свое воображение, а не сложную математику, чтобы придумать свое самое известное и элегантное уравнение. Эйнштейна известна тем, что предсказывает странные, но истинные явления, вроде замедления старения астронавтов в космосе по сравнению с людьми на Земле и изменения форм твердых объектов на высоких скоростях.
Но интересно то, что если вы возьмете копию оригинальной статьи Эйнштейна об относительности 1905 года, ее будет довольно просто разобрать. Текст прост и понятен, а уравнения в основном алгебраические - их сможет разобрать любой старшеклассник.
Все потому, что сложная математика никогда не была коньком Эйнштейна. Он любил думать образно, проводить эксперименты в своем воображении и осмыслять их до тех пор, пока физические идеи и принципы не станут видны кристально ясно.
Вот с чего начались мысленные эксперименты Эйнштейна, когда ему было всего 16 лет, и как они в конечном итоге привели его к самому революционному уравнению в современной физике.
К этому моменту жизни Эйнштейна его плохо скрываемое презрение к немецким корням, авторитарным методам обучения в Германии уже сыграло свою роль, и его выгнали из средней школы, поэтому он переехал в Цюрих в надежде на поступление в Швейцарский федеральный технологический институт (ETH).
Но сперва Эйнштейн решил провести год подготовки в школе в соседнем городе Аарау. В этом месте он вскоре обнаружил, что интересуется тем, каково это - бежать рядом с лучом света.
Эйнштейн уже узнал в физическом классе, что такое луч света: множество колеблющихся электрических и магнитных полей, движущихся на скорости 300 000 километров в секунду, измеренной скорости света. Если он бежал бы рядом с такой же скоростью, осознал Эйнштейн, он мог бы увидеть множество колеблющихся электрических и магнитных полей рядом с ним, словно застывшие в пространстве.
Но это было невозможно. Во-первых, стационарные поля нарушали бы уравнения Максвелла, математические законы, в которых было заложено все, что физики знали об электричестве, магнетизме и свете. Эти законы были (и остаются) довольно строгими: любые волны в этих полях должны двигаться со скоростью света и не могут стоять на месте, без исключений.
Хуже того, стационарные поля не вязались с принципом относительности, который был известен физикам со времен Галилея и Ньютона в 17 веке. По сути, принцип относительности говорит, что законы физики не могут зависеть от того, как быстро вы движетесь: вы можете измерить лишь скорость одного объекта относительно другого.
Но когда Эйнштейн применил этот принцип к своему мысленному эксперименту, возникло противоречие: относительность диктовала, что все, что он мог увидеть, двигаясь рядом с лучом света, включая стационарные поля, должно быть чем-то приземленным, что физики могут создать в лаборатории. Но такого никто никогда не наблюдал.
Эта проблема будет волновать Эйнштейна еще 10 лет, на протяжении всего его пути обучения и работы в ETH и движения к столице Швейцарии Берну, где он станет экзаменатором в швейцарском патентном бюро. Именно там он разрешит парадокс раз и навсегда.
1904 год: измерение света с движущегося поезда
Это было непросто. Эйнштейн пробовал любое решение, которое приходило ему в голову, но ничего не работало. Почти отчаявшись, он начал раздумывать, но простым, однако радикальным решением. Возможно, уравнения Максвелла работают для всего, подумал он, но скорость света всегда была постоянной.
Другими словами, когда вы видите пролетающий пучок света, не имеет значения, будет ли его источник двигаться к вам, от вас, в сторону или еще куда-нибудь, и не имеет значения, насколько быстро движется его источник. Скорость света, которую вы измерите, всегда будет 300 000 километров в секунду. Помимо всего прочего, это означало, что Эйнштейн никогда не увидит стационарных колеблющихся полей, поскольку никогда не сможет поймать луч света.
Это был единственный способ, который увидел Эйнштейн, чтобы примирить уравнения Максвелла с принципом относительности. На первый взгляд, впрочем, это решение имело собственный роковой недостаток. Позже он объяснил его другим мысленным экспериментом: представьте себе луч, который запускается вдоль железнодорожной насыпи, в то время как поезд проходит мимо в том же направлении со скоростью, скажем, 3000 километров в секунду.
Некто стоящий возле насыпи должен будет измерить скорость светового луча и получить стандартное число в 300 000 километров в секунду. Но кто-то на поезде будет видеть свет, движущийся со скоростью 297 000 километров в секунду. Если скорость света непостоянна, уравнение Максвелла внутри вагона должно выглядеть иначе, заключил Эйнштейн, и тогда принцип относительности будет нарушен.
Это кажущееся противоречие заставило Эйнштейна задуматься почти на год. Но затем, в одно прекрасное утро в мае 1905 года, он шел на работу со своим лучшим другом Мишелем Бессо, инженером, которого он знал со студенческих лет в Цюрихе. Двое мужчин говорили о дилемме Эйнштейна, как и всегда. И вдруг Эйнштейн увидел решение. Он работал над ним всю ночь, и когда следующим утром они встретились, Эйнштейн сказал Бессо: «Спасибо. Я полностью решил проблему».
Май 1905 года: молния бьет в движущийся поезд
Откровение Эйнштейна состояло в том, что наблюдатели в относительном движении воспринимают время по-разному: вполне возможно, что два события будут происходить одновременно с точки зрения одного наблюдателя, но в разное время с точки зрения другого. И оба наблюдателя будут правы.
Позднее Эйнштейн проиллюстрировал свою точку зрения другим мысленным экспериментом. Представьте, что рядом с железной дорогой снова стоит наблюдатель и мимо него проносится поезд. В тот момент, когда центральная точка поезда проходит мимо наблюдателя, в каждый конец поезда бьет молния. Поскольку молнии бьют на одном расстоянии от наблюдателя, их свет попадает в его глаза одновременно. Справедливо будет сказать, что молнии бьют одновременно.
Между тем ровно в центре поезда сидит другой наблюдатель. С его точки зрения свет от двух ударов молний проходит одинаковое расстояние и скорость света будет одинаковой в любом направлении. Но поскольку поезд движется, свет, приходящий от задней молнии, должен пройти большее расстояние, поэтому попадает к наблюдателю несколькими мгновениями позже, чем свет из начала. Поскольку импульсы света приходят в разное время, можно заключить, что удары молнии не одновременны - один происходит быстрее.
Эйнштейн понял, что относительна как раз эта одновременность. И как только вы это признаете, странные эффекты, которые мы сейчас связываем с относительностью, разрешаются при помощи простой алгебры.
Эйнштейн лихорадочно записал свои мысли и отправил свою работу для публикации. Названием стало «Об электродинамике движущихся тел», и в нем отразилась попытка Эйнштейна увязать уравнения Максвелла с принципом относительности. Бессо была вынесена отдельная благодарность.
Сентябрь 1905 года: масса и энергия
Эта первая работа, впрочем, не стала последней. Эйнштейн был одержим относительностью до лета 1905 года, а в сентябре отправил вторую статью для публикации, уже вдогонку, задним числом.
Она была основана еще на одном мысленном эксперименте. Представьте объект в состоянии покоя, говорил он. Теперь представьте, что тот одновременно испускает два идентичных импульса света в противоположных направлениях. Объект будет оставаться на месте, но поскольку каждый импульс уносит определенное количество энергии, заключенная в объекте энергия будет уменьшаться.
Теперь, писал Эйнштейн, как будет выглядеть этот процесс для движущегося наблюдателя? С его точки зрения, объект просто будет продолжать двигаться по прямой линии, в то время как два импульса будут улетать. Но даже если скорость двух импульсов будет оставаться прежней - скоростью света - их энергии будут разными. Импульс, который движется вперед по направлению движения, будет иметь более высокую энергию, чем тот, что движется в обратном направлении.
Добавив немного алгебры, Эйнштейн показал, что для того, чтобы все это было последовательным, объект должен не только терять энергию при отправке световых импульсов, но и массу. Или же масса и энергия должны быть взаимозаменяемы. Эйнштейн записал уравнение, которое их связывает. И оно стало самым знаменитым уравнением в истории науки: E = mc 2 .
Еще в конце XIX века большинство ученых склонялось к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальнейшем незыблемой - предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия ХХ века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы ХIХ столетия и первые десятилетия ХХ, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером может служить теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955).
Теория относительности
- физическая теория пространства-времени, то есть теория, описывающая универсальные пространственно-временные свойства физических процессов. Термин был введен в 1906 году Максом Планком с целью подчеркнуть роль принципа относительности
в специальной теории относительности (и, позже, общей теории относительности).
В узком смысле теория относительности включает в себя специальную и общую теорию относительности. Специальная теория относительности (далее - СТО) относится к процессам, при исследовании которых полями тяготения можно пренебречь; общая теория относительности (далее - ОТО) - это теория тяготения, обобщающая ньютоновскую.
Специальная
, или частная теория относительности
- это теория структуры пространства-времени. Впервые была представлена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Теория описывает движение, законы механики, а также пространственно-временные отношения, определяющие их, при любых скоростях движения,
в том числе и близких к скорости света. Классическая механика Ньютона
в рамках СТО является приближением для малых скоростей.
Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.
Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных.
В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру. Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.
СТО объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу. Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета. Так что, если два космонавта летят на двух космических кораблях и хотят сравнить свои наблюдения, единственное, что им нужно знать – это скорость относительно друг друга.
Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно.
Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Альберт Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу новой теории пространства и времени, получившей название Специальной Теории Относительности (СТО):
1. Принцип относительности Эйнштейна - этот принцип явился обобщением принципа относительности Галилея (утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике) на любые физические. Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных систем отсчета (ИСО) протекают одинаково . Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).
2. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света . Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в вакууме - предельная скорость в природе - это одна из важнейших физических постоянных, так называемых мировых констант.
Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е=mc 2 (где С - скорость света), которая показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения и подтвержденная данными современной физики. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.
Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.
В теории относительности «два закона - закон сохранения массы и сохранения энергии - потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы». Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.
Общая теория относительности - теория гравитации, опубликованная Эйнштейном в 1916 году, над которой работал в течение 10 лет. Является дальнейшим развитием специальной теории относительности. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает ОТО, которая объясняет движения материальных тел в общем случае.
В общей теории относительности постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии.
ОТО в настоящее время - самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к следующему:
- ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);
- распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).
В ОТО, или теории тяготения он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей.
Принцип эквивалентности играет важную роль в науке. Мы всегда можем вычислить непосредственно действие сил инерции на любую физическую систему, и это дает нам возможность знать действие поля тяготения, отвлекаясь от его неоднородности, которая часто очень незначительна.
Из ОТО был получен ряд важных выводов:
1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.
Долгое время экспериментальных подтверждений ОТО было мало. Согласие теории с опытом достаточно хорошее, но чистота экспериментов нарушается различными сложными побочными влияниями. Однако влияние искривления пространства-времени можно обнаружить даже в умеренных гравитационных полях. Очень чувствительные часы, например, могут обнаружить замедление времени на поверхности Земли. Чтобы расширить экспериментальную базу ОТО, во второй половине XX века были поставлены новые эксперименты: проверялась эквивалентность инертной и гравитационной масс (в том числе и путем лазерной локации Луны);
с помощью радиолокации уточнялось движение перигелия Меркурия; измерялось гравитационное отклонение радиоволн Солнцем, проводилась радиолокация планет Солнечной системы; оценивалось влияние гравитационного поля Солнца на радиосвязь с космическими кораблями, которые отправлялись к дальним планетам Солнечной системы, и т.д. Все они, так или иначе, подтвердили предсказания, полученные на основе ОТО.
Итак, специальная теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс.
Наиболее значительным результатом общей теории относительности с философской точки зрения является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Именно благодаря воздействию тел
с большими массами происходит искривление путей движения световых лучей. Следовательно, гравитационное поле, создаваемое такими телами, определяет в конечном итоге пространственно-временные свойства мира.
В специальной теории относительности абстрагируются от действия гравитационных полей и поэтому ее выводы оказываются применимыми лишь для небольших участков пространства – времени. Кардинальное отличие общей теории относительности от предшествующих ей фундаментальных физических теорий в отказе от ряда старых понятий и формулировке новых. Стоит сказать, что общая теория относительности произвела настоящий переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной.
Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”. 1
Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой”. 2 Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил”. 3
Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.
Таким образом, слово “относительно” в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Если классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.
В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.
Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.
Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10 -6 - 10 -15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.
Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.
Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.
Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.
“Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света” 1 . Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.
Со скорость света тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность.
В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g , то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.
Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).
Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим меркам - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала ничего нет. Замедление вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.
Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремится к бесконечности, а ее частота - к нулю.
Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случится, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастает на столько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.
С нашим Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. Но другие звезды, массы которых в три и более раз превышают массу Солнца, в конце своей жизни и действительно испытывают, скорее всего, быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра - это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.
Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе, хотя до сих пор их обнаружить не удалось. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят, и потому в полном смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.
Сейчас имеется несколько хорошо изученных двойных систем, в которых масса невидимого партнера оценивается в 5 или даже 8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры, но астрономы до уточнения этих оценок предпочитают называть эти объекты кандидатами в черные дыры.
Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса, оно столь велико, что время там как бы замирает.
Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до гравитационного радиуса занимает всего около часа. Но по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигает его. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры. Таким образом, материя влияет на свойства пространства и времени.
Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени. Разработанная теория суперструн, которая представляет элементарные частицы в качестве гармонических колебаний этих струн и связывает физику с геометрией, исходит из многомерности пространства. А это означает, что мы на новом этапе развития науки, на новом уровне познания возвращаемся к предсказаниям А. Эйнштейна 1930 г.: “Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает казаться, что первичную роль играет пространство, материя же должна быть получена из пространства, так сказать, на следующем этапе. Мы всегда рассматривали материю первичной, а пространство вторичным. Пространство, образно говоря, берет сейчас реванш и “съедает” материю” 1 . Возможно, существует квант пространства, фундаментальная длина L. Введя это понятие, мы можем избежать многих трудностей современных квантовых теорий. Если ее существование подтвердится, то L станет третьей (кроме постоянной Планка и скорости света в пустоте) фундаментальной постоянной в физике. Из существования кванта пространства также следует существование кванта времени (равного L/c), ограничивающего точность определения временных интервалов.
Сто лет назад, в 1915 году, молодой швейцарский учёный, который на тот момент уже сделал революционные открытия в физике, предложил принципиально новое понимание гравитации.
В 1915 году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности , которая характеризует гравитацию как основное свойство пространства-времени. Он представил серию уравнений, описывающих влияние кривизны пространства-времени на энергию и движение присутствующей в нём материи и излучения.
Сто лет спустя общая теория относительности (ОТО) стала основой для построения современной науки, она выдержала все тесты, с которыми на неё набросились учёные.
Но до недавнего времени было невозможно проводить эксперименты в экстремальных условиях, чтобы проверить устойчивость теории.
Удивительно, насколько сильной показала себя теория относительности за 100 лет. Мы всё ещё пользуемся тем, что написал Эйнштейн!
Клиффорд Уилл, физик-теоретик, Флоридский университет
Теперь у учёных есть технология, с помощью которой можно искать физику за пределами ОТО.
Новый взгляд на гравитацию
Общая теория относительности описывает гравитацию не как силу (так она предстаёт в ньютоновской физике), а как искривление пространства-времени за счёт массы объектов. Земля вращается вокруг Солнца не потому, что звезда её притягивает, а потому, что Солнце деформирует пространство-время. Если на растянутое одеяло положить тяжёлый шар для боулинга, оделяло изменит форму - гравитация влияет на пространство примерно так же.
Теория Эйнштейна предсказала несколько безумных открытий. Например, возможность существования чёрных дыр, которые искривляют пространство-время до такой степени, что ничего не может вырваться изнутри, даже свет. На основе теории были найдены доказательства общепринятому сегодня мнению, что Вселенная расширяется и ускоряется.
Общая теория относительности была подтверждена многочисленными наблюдениями . Сам Эйнштейн использовал ОТО, чтобы рассчитать орбиту Меркурия, чьё движение не может быть описано законами Ньютона. Эйнштейн предсказал существование объектов настолько массивных, что они искривляют свет. Это явление гравитационного линзирования, с которым часто сталкиваются астрономы. Например, поиск экзопланет основан на эффекте едва заметных изменений в излучении, искривлённом гравитационным полем звезды, вокруг которой вращается планета.
Проверка теории Эйнштейна
Общая теория относительности хорошо работает для гравитации обычной силы, как показывают опыты, проведённые на Земле, и наблюдения за планетами Солнечной системы. Но её никогда не проверяли в условиях экстремально сильного воздействия полей в пространствах, лежащих на границах физики.
Наиболее перспективный способ тестирования теории в таких условиях - наблюдение за изменениями в пространстве-времени, которые называются гравитационными волнами . Они появляются как итог крупных событий, при слиянии двух массивных тел, таких как чёрные дыры, или особенно плотных объектов - нейтронных звёзд.
Космический фейерверк такого масштаба отразится на пространстве-времени только мельчайшей рябью. Например, если бы две чёрные дыры столкнулись и слились где-то в нашей Галактике, гравитационные волны могли бы растянуть и сжать расстояние между объектами, находящимися на Земле в метре друг от друга, на одну тысячную диаметра атомного ядра.
Появились эксперименты, которые могут зафиксировать изменения пространства-времени вследствие таких событий.
Есть неплохой шанс зафиксировать гравитационные волны в ближайшие два года.
Клиффорд Уилл
Лазерно-интерферометрическая обсерватория гравитационных волн (LIGO) с обсерваториями в окрестностях Ричленда (Вашингтон) и Ливингстона (Луизиана) использует лазер для определения мельчайших искажений в двойных Г-образных детекторах. Когда рябь пространства-времени проходит через детекторы, она растягивает и сжимает пространство, вследствие чего детектор изменяет размеры. А LIGO может их измерить.
LIGO начала серию запусков в 2002 году, но не достигла результата. В 2010-м была проведена работа по улучшению, и преемник организации, обсерватория Advanced LIGO, снова должна заработать в этом году. Многие из запланированных экспериментов нацелены на поиск гравитационных волн.
Ещё один способ протестировать теорию относительности - посмотреть на свойства гравитационных волн. Например, они могут быть поляризованы, как свет, прошедший через поляризационные очки. Теория относительности предсказывает особенности такого эффекта, и любые отклонения от расчётов могут стать поводом усомниться в теории.
Единая теория
Клиффорд Уилл считает, что открытие гравитационных волн только укрепит теорию Эйнштейна:
Думаю, мы должны продолжать поиск доказательств общей теории относительности, чтобы быть уверенными в её правоте.
А зачем вообще нужны эти эксперименты?
Одна из важнейших и труднодостижимых задач современной физики - поиск теории, которая свяжет воедино исследования Эйнштейна, то есть науку о макромире, и квантовую механику , реальность мельчайших объектов.
Успехи этого направления, квантовой гравитации , могут потребовать внести изменения в общую теорию относительности. Возможно, что эксперименты в области квантовой гравитации потребуют столько энергии, что их будет невозможно провести. «Но кто знает, - говорит Уилл, - может, в квантовой вселенной существует эффект, незначительный, но доступный для поиска».
