<<
>>

Специальная теория относительности

  Весьма разумно ожидать от физических законов, что они должны быть одинаковы для каждого. Никто бы не осудил нас за сомнения в их справедливости и полезности, если бы люди в разных странах, в разных движущихся поездах или летящие в разных самолетах наблюдали бы разные физические законы.
Физические законы должны быть фундаментальными и должны выполняться для любого наблюдателя. Любая разница в вычислениях должна объясняться отличиями в окружающей среде, а не в физических законах. Действительно, было бы очень странно иметь универсальные физические законы, требующие конкретной точки наблюдения. От вашей системы отсчета могут зависеть конкретные величины, которые вы можете измерить, но не законы, управляющие этими величинами. Эйнштейновская формулировка специальной теории относительности утверждает, что дело обстоит именно так.

На самом деле несколько удивительно, что работа Эйнштейна по теории тяготения называется «теорией относительности». Принципиальный момент, заложенный как в специальную, так и в общую теорию относительности, состоит в том, что физические законы должны выполняться для всех, независимо от их систем отсчета. В действительности Эйнштейн предпочитал термин 1п- variantentheorie (теория инвариантности)[33]. В письме, которое написал Эйнштейн в 1921 году в ответ корреспонденту, предлагавшему переделать название, он признал, что термин «относительность» неподходящий[34]. Но к тому времени термин слишком хорошо укоренился, чтобы пытаться его изменить.

Первая идея Эйнштейна о системах отсчета и относительности возникла из размышлений об электромагнетизме. Хорошо известная с середины XIX века теория электромагнетизма была основана на уравнениях Максвелла, описывающих явления электромагнетизма и электромагнитные волны. Эти уравнения приводили к правильным результатам, но с самого начала ученые ошибочно интерпретировали полученные предсказания в рамках движения эфира, гипотетической невидимой субстанции, колебаниями которой и считались электромагнитные волны.

Эйнштейн понял, что если эфир существует, то должна существовать и выделенная точка или система отсчета^для наблюдений, а именно, та, в которой эфир покоится. Он обосновал, что одни и те же физические законы должны быть применимы к людям, движущимся с постоянной скоростью [35] по отношению к друг другу, а также по отношению к покоящемуся человеку, т. е. в системах отсчета, которые физики называют инерциальными системами. Потребовав, чтобы все физические законы, включая электромагнетизм, выполнялись для наблюдателей во всех инерциальных системах отсчета, Эйнштейн пришел к отказу от идеи эфира и в конце концов создал специальную теорию относительности.

Главным скачком в эйнштейновской специальной теории относительности был радикальный пересмотр понятий пространства и времени. Питер Гейлсон[36], физик и историк науки, полагает, что не только теория эфира натолкнула Эйнштейна на верный путь, но и размышления Эйнштейна над понятием времени.

Гейлсон полагает, что Эйнштейн, выросший в Германии и работавший в патентном бюро в Берне, Швейцария, должен был постоянно думать о времени и его синхронизации. Всякий, кто путешествовал по Европе, знает, что в Германии и Швейцарии очень ценится точность, и замечательным следствием этого является то, что пассажиры всегда могут быть уверены, что поезда следуют строго по расписанию. Эйнштейн работал в патентном бюро с 1902 по 1905 год, в ту эпоху, когда железнодорожное сообщение приобретало все большую важность, а синхронизация времени было передним краем новой технологии. В начале 1900-х годов Эйнштейн очень любил думать о житейских проблемах, например, о том, как синхронизировать время на одной железнодорожной станции со временем на другой.

Конечно, Эйнштейну не требовалось развивать теорию относительности для того, чтобы решить проблему синхронизации движения реальных поездов. (Для тех из нас, кто привык к часто запаздывающим поездам в Америке, синхронизированное время в любом случае может звучать как экзотика[37].) Но синхронизация времени поднимает ряд интересных вопросов.

Для релятивистски движущихся поездов синхронизация времени является непростой задачей. Если я хочу синхронизовать мои часы с часами пассажира на движущемся поезде, я должна учесть время запаздывания распространяющегося между нами сигнала, так как свет имеет конечную скорость. Синхронизация моих часов с часами рядом сидящего пассажира — не то же самое, что синхронизация удаленных друг от друга часов[38].

Решающим прозрением Эйнштейна, которое привело его к созданию специальной теории относительности, было понимание необходимости пересмотра представлений о времени. Согласно Эйнштейну, пространство и время не могут более рассматриваться независимо. Хотя они не одно и то же (очевидно, что время и пространство различаются), измеряемые вами величины зависят от скорости вашего движения. Специальная теория относительности стала результатом этого прозрения.

Сколь бы удивительными они ни казались, новые следствия специальной теории относительности Эйнштейна можно вывести из двух постулатов. Чтобы их сформулировать, нам нужно понять, что представляют собой инерциальные системы отсчета. Выберем сначала произвольную систему отсчета, которая движется с постоянной скоростью (имеется в виду, что постоянны и величина скорости и ее направление); часто подходящим примером является покоящаяся система отсчета. Инерциальными системами отсчета будут тогда те системы, которые двигаются с постоянной скоростью по отношению к первой. Например, кто-то бежит или едет с постоянной скоростью.

Постулаты Эйнштейна утверждают, что: законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета; скорость света с одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Эти два постулата говорят нам, что законы Ньютона неполны. Если только мы примем эйнштейновские постулаты, у нас не останется иного выбора, кроме как заменить законы Ньютона новыми физическими законами, совместимыми с этими правилами^. Следующие отсюда законы специальной теории относительности приводят ко всем тем удивительным следствиям, о которых вы могли уже слышать, таким как замедление времени, зависимость понятия одновременности от наблюдателя и лоренцовское сокращение длины движущегося тела.

Если применять новые законы к телам, движущимся со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, эти законы должны сводиться к старым законам классической физики. Но если применять их к каким-то телам, движущимся очень быстро, со скоростью равной или близкой к скорости света, то разница между ньютоновскими законами и законами специальной теории относительности должна стать несомненной.

Например, в ньютоновской механике величины скоростей просто складываются. Автомобиль, мчащийся вам навстречу по шоссе, приближается к вам со скоростью, равной по величине сумме величин вашей и его скоростей. Аналогично, если кто-то, стоящий на платформе, бросает вам мяч, а вы в это время находитесь в приближающемся поезде, величина скорости мяча окажется равной сумме величин скорости самого мяча и скорости движущегося поезда. (Мой бывший студент Витек Скиба может подтвердить это. Он почти потерял сознание, когда в него попал мяч, брошенный кем-то в приближающийся поезд, в котором он ехал.)

Согласно ньютоновской физике, скорость светового луча, направленного на движущийся поезд, должна равняться сумме скорости света и скорости движущегося поезда. Но это не может быть верным, если величина скорости света постоянна, как того требует второй постулат Эйнштейна. Если величина скорости света всегда одна и та же, тогда скорость луча, направленного на движущийся поезд, будет такой же, как скорость луча, достигающего вас, когда вы неподвижно стоите на земле. Даже несмотря на то что это противоречит интуиции, дополненной повседневным опытом движения с малыми скоростями, величина скорости света постоянна, а скорости в специальной теории относительности не складываются так же просто, как в ньютоновской физике. На самом деле сложение скоростей происходит согласно релятивистской формуле, вытекающей из постулатов Эйнштейна.

Многие приложения специальной теории относительности не согласуются со знакомыми нам понятиями пространства и времени. Пространство и время в специальной теории относительности рассматриваются иначе, чем в ньютоновской механике, и это приводит ко многим противоречащим интуиции результатам.

Измерения времени и пространства зависят от скорости, и сами эти понятия смешиваются в системах, движущихся относительно друг друга. Тем не менее, какими бы странными они ни казались, если вы принимаете два постулата, то изменение понятий пространства и времени есть их неизбежное следствие.

Приведем один аргумент в пользу этого. Представим себе два совершенно одинаковых корабля с одинаковыми мачтами. Один из кораблей стоит на якоре в порту, а другой удаляется от берега. Допустим далее, что капитаны двух кораблей сверили свои часы в момент отплытия одного корабля.

Представим теперь, что два капитана проделывают довольно странную процедуру: каждый из них решает измерить время на своем корабле, поместив одно зеркало на верхушке мачты, а другое — у ее основания, запуская луч света от нижнего зеркала к верхнему и измеряя, сколько раз свет отразится от верхнего зеркала и вернется к нижнему. Конечно, для практических целей такой способ абсурден, так как свет будет периодически двигаться вверх и вниз слишком часто, чтобы можно было успеть сосчитать число отражений. Но доверьтесь мне и представьте, что капитаны могут считать невероятно быстро. Я сейчас использую этот несколько искусственный пример для доказательства того, что на движущемся корабле время растягивается.

Если каждый капитан знает, сколько времени требуется на то, чтобы свет совершил один цикл, он может вычислить пройденный промежуток времени, умножая длительность одного цикла на число циклов, которые свет пробегает между зеркалами. Предположим, однако, что вместо того чтобы использовать свои собственные часы с неподвижными зеркалами, капитан стоящего на якоре корабля измеряет время по числу раз, которые свет на плывущем корабле отражается от зеркала на мачте и возвращается назад.

С точки зрения капитана на плывущем корабле, свет просто движется строго вверх—вниз. Однако, с точки зрения капитана стоящего на якоре корабля, свет должен пройти больший путь (чтобы пройти расстояние, пройденное движущимся кораблем, рис.

35). Однако, и в этом месте наши рассуждения противоречат интуиции, скорость света постоянна. Она одна и та же как для света, посланного к верхушке мачты стоящего на якоре корабля, так и для света, посланного к верхушке мачты движущегося корабля. Так как скорость равна пройденному расстоянию, деленному на время, за которое оно пройдено, а скорость света для движущегося и неподвижного кораблей одинакова, часы, связанные с движущимися зеркалами, должны «тикать» медленнее, чтобы компенсировать большее расстояние, которое должен пройти свет. Этот полностью противоречащий интуиции вывод, что движущиеся и неподвижные часы должны «тикать» с разными скоростями, вытекает из того факта, что скорость света в движущейся системе отсчета совпадает со скоростью света в неподвижной системе. И хотя предложенный способ измерения времени забавен, вывод о том, что движущиеся часы идут медленнее, будет верным независимо от того, как измеряется время. Если

ВШВЭ путь светового луч а, отражающегося от зеркала на верхушке мачты, для неподвижного и движущегося кораблей. Неподвижный наблюдатель (на лодке у берега или на маяке) увидит во втором случае, что путь увеличился

у капитанов есть часы, они будут наблюдать то же самое явление (с той оговоркой, что для обычных скоростей эффект будет ничтожно малым).

Хотя приведенный пример несколько искусственный, само описанное явление приводит к непосредственно наблюдаемым явлениям. Например, специальная теория относительности приводит к разным временам жизни быстро движущихся тел. Это явление называется замедлением времени.

Физики измеряют замедление времени, изучая элементарные частицы, рожденные на коллайдерах или в атмосфере, и движущиеся с релятивистскими скоростями, приближающимися к скорости света. Например, элементарная частица, называемая мюон, имеет тот же заряд, что и электрон, но тяжелее его и может распадаться (т. е. превращаться в другие, более легкие частицы). Время жизни мюона, т. е. промежуток времени до его распада, равно всего 2 мкс. Если движущийся мюон имел бы то же время жизни, что и неподвижный, он мог бы пролететь до распада всего около 600 м. Но мюоны ухитряются пролететь через всю нашу атмосферу, а в коллайдерах — до краев больших детекторов, так как благодаря их скорости, близкой к скорости света, нам они кажутся живущими намного дольше. В атмосфере мюоны пролетают расстояние, по крайней мере в десять раз большее, чем они пролетали бы в мире, основанном на ньютоновских принципах. Сам факт, что мы вообще наблюдаем мюоны, показывает, что замедление времени (и специальная теория относительности) приводит к правильным физическим явлениям.

Специальная теория относительности важна не только потому, что она привела к выводам, существенно отклоняющимся от классической физики, но и потому, что она оказалась существенной для развития общей теории относительности и квантовой теории поля, играющих важную роль в новейших исследованиях. Поскольку при дальнейшем обсуждении физики частиц и моделей с дополнительными измерениями я не хочу использовать конкретные предсказания специальной теории относительности, я не поддамся искушению заняться изучением всех поразительных следствий этой теории, например, почему одновременность зависит от того, движется ли наблюдатель или покоится, и как размеры движущихся тел отличаются от размеров покоящихся тел. Вместо этого мы погрузимся в другое интереснейшее исследование, а именно, общую теорию относительности, которая будет важна позднее, когда мы начнем рассматривать теорию струн и дополнительные измерения. 

<< | >>
Источник: Рэндалл Лиза. Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.. 2011

Еще по теме Специальная теория относительности:

  1. 7.3 Холистичность теории интерпретации Д.Дэвидсона
  2. Понимание К. Поппером места и роли проблемы
  3. ТЕОРИЯ ИСТОРИЧЕСКОЙ эволюции П. Н. МИЛЮКОВА
  4. 1.3. Социология журналистики как специальная социологическая теория
  5. С. Г.Кирдина ТЕОРИЯ ИНСТИТУЦИОНАЛЬНЫХ МАТРИЦ (ПРИМЕР РОССИЙСКОГО ИНСТИТУЦИОНАЛИЗМА)
  6. 8.3.4 Современная теория нутации
  7. Об интерпретации теорий
  8. Фальсификация и реализм
  9. Атомы и относительность
  10. Гносеологические особенности возникновения общей теории относительности
  11. Геометрия и физика. Неразрывная связь пространства-времени с материей
  12. Критическая проверка теорий
  13. Теоретический уровень научного познания
  14. § 2. Философские проблемы физической картины мира
  15. Специальная теория относительности
  16. Принцип эквивалентности:начинается общая теория относительности
  17. Общая теория относительности Эйнштейна
  18. Глоссарии
  19. Роль метода в определении предмета общей экономической теории, её частей, задач, путей, логики исследования, системного изложения результатов, теоретических и практических выводов