Теория относительности, как новый взлгяд на пространство и время

02 декабрь 2013, 23:35

Понятие о единстве пространственно-временного континуума было рождено в начале XX века и ознаменовало собой категорические преобразования представлений физиков-теоретиков о свойствах природы. Это новое понимание стало фундаментом для всего того множества технологических достижений последних ста лет.


Классическая механика и ее противоречия

С тех пор, как Исаак Ньютон в конце XVII века сформулировал основные постулаты классической механики, которые вполне адекватно описывали поведение окружающих нас предметов и законы вращения небесных тел, эта концепция считалась незыблемой и применимой к любым физическим явлениям мира. Однако, спустя три века своей верной службы ньютоновская механика столкнулась с серьезными противоречиями. И появились они из результатов опытного вычисления скорости света. Представьте, что вы шагаете по вагону движущегося поезда со скоростью, скажем, 5 км. в час. Это ваша скорость относительно неподвижных людей и объектов вагона. Но, вместе с тем, относительно пейзажа за окном вы движетесь значительно быстрее. Теперь вашу собственную скорость необходимо складывать со скоростью движения поезда (или отнимать, если вы идете против его хода). Этот стандартный подход классической механики распространяется на определение движения тел в нашей повседневности. То же самое будет касаться и дважды брошенного мячика: из статического положения и из движущегося автомобиля. Но вот незадача. Вычисления в конце XIX века скорости света продемонстрировали на практике, что на него это правило не распространяется. Свет от далекой звезды идет к нам с одинаковой скоростью, приближается она или нет.

Рождение релятивистской физики

Этот факт осознавался физиками мира несколько десятилетий. Венцом этих усилий стала теория относительности Альберта Эйнштейна, впервые опубликованная в 1905 г., позволившая связать вместе пространство и время. Впрочем, ей предшествовал ряд важнейших исследований и вычислений Лоренца, Максвелла и Планка. Эйнштейном было математически доказано, что скорость света является предельной скоростью в природе, быстрее которой ничего двигаться не может. Кстати, фотоны не имеют никакой массы, а тела, имеющую любую массу, отличную от нулевой, и этого не достигнут, поскольку понадобятся бесконечные затраты энергии, что, разумеется, невозможно в принципе. Но еще более важным стал вывод о том, что постоянство скорости света буквально связывает воедино пространство и время, образуя их зависимость. Их отношение можно выразить путем постоянной скорости распространения света в вакууме. В мире Ньютона эти две величины не зависели ни друг от друга, ни от самой природы, оставаясь лишь театром для нее, никак не подверженным влиянию. Картину, которая сложилась теперь, попробуем выразить следующим образом. Представьте, что вы движетесь уже не в поезде, а в автомобиле по широкой скоростной трассе. Длинна ее, скажем, 140 км., которые вы преодолеваете за час, двигаясь по прямой. Но трасса широкая, и вы можете двигаться еще и по диагонали, иногда даже не замечая этого. То есть, вы будете двигаться не только вдоль длинны, но и смещаться вправо или влево. Вы ведь движетесь всегда с одинаковой скоростью, но чем больше ваше отклонение, тем дольше вы преодолеваете длину трассы. Уже не за 60, а за 58 минут, например. Примерно так же зависимы пространство и время: скорость-то одна, но время и пространственное положение взаимно влияют друг на друга.


Искривление времени

Но из теории относительности следуют еще более удивительные факты! Возвращаемся в наш поезд. Если в центре движущегося вагона включить лампочку, то его свет в этом пространстве дойдет одновременно до передней и задней стенки. Ведь расстояния одинакова, а скорость его постоянна. Это будет справедливо для людей, находящихся в вагоне. Однако для людей с платформы, мимо которой проезжает поезд, свет быстрее дойдет до задней стенки, ведь она движется к нему на встречу и с каждым мигом уменьшает расстояние. Скорость света, как и прежде, остается постоянной, нисколько не меняясь, но вот само расстояние, которое необходимо пройти свету, меняется. Выходит, то, что одновременно для людей в одной системе отсчета, может быть совершенно неодновременным для людей, находящихся в другом месте. То есть, само время неодинаково для разных систем отсчета. Заметьте, правила физики действуют и там, и там одинаково. На самом деле, время, в данном случае, зависит от ускорения движения нашего поезда. И чем быстрее будет двигаться поезд, тем больше будет искривляться временной континуум в нем, относительно хода времени снаружи. Расчеты показали, что оно буквально будет замедляться, как бы парадоксально это не выглядело. И точно также будет искривляться само пространство. Люди в движущемся поезде ничего не заметят, но для стороннего наблюдателя он будет (не казаться, а именно будет) короче, чем для тех, кто внутри. Но не только ускорение изменяет этот континуум. В нашей Вселенной он очень меняется под влиянием сил гравитации. Представьте, как вас вдавливает в спинку сиденья автомобиля при увеличении скорости. Это похоже на то, как если бы лежали просто на земле. То, есть ускорение можно представить, как некоторую симуляцию гравитации. Формулы Эйнштейна подтвердили, что при таком взгляде на положение дел, время должно течь медленнее на поверхности Земли, чем на высоте ее орбиты. А еще медленнее на более тяжелых планетах, вроде Юпитера или Сатурна. Эта разница чрезвычайно мала, потому не заметна в нашей повседневной жизни. Однако последующие эксперименты на космических орбитальных станциях действительно подтвердили этот факт. Пусть эти отклонения и составляют ничтожно малые секунды. Однако, если мы представим тело с достаточно большой массой, какие, без сомнений, существуют во Вселенной, то легко понять, что ход времени там может быть замедлен уже весьма существенно относительно нашей земной системы отсчета.

Искривление пространства

Как вы уже догадываетесь, и здесь чудеса. Эксперимент, основанный на предположении его искривления, подтвердил в 1919 году, что свет далеких звезд движется к нам не по прямому пути. Траектория выгибается вблизи солнца, как будто бы его гравитация притягивала само пространство. Но, ведь существуют звезды со значительно большей массой, чем Солнце. Это значит, что вблизи них пространство выгибается еще сильнее. А теперь представьте, что звезду достаточной плотности, которая не просто смещает траектория светового луча, а полностью способно захватить его. Свет уже будет не в состоянии преодолеть такой чудовищной силы гравитации. А если не сможет свет, то не сможет ничего, поскольку, как мы уже знаем, его скорость максимальна в природе. Такие гипотетические объекты были названы тогда черными дырами, и сегодня множество фактического материала подтверждает существование их в нашем мире, хоть мы и не можем их наблюдать непосредственно ввиду понятного отсутствия светового излучения.

Теория относительности

Добавить комментарий

Ваш комментарий:

Имя:*
E-mail:
Комментарий:*
Введите цифровой код, указанный на картинке:*
* Обязательные для заполнения поля