Вообще теория относительности выглядит чрезвычайно просто, а говоря точнее – чрезвычайно просто выглядят ее уравнения. И это может привести к ложной уверенности в том, что мы хорошо ПОНИМАЕМ теорию относительности. По правде говоря, чтобы начать хорошо понимать ее, необходимо внимательно, не торопясь, рассматривать одно за другим явления, которые мы наблюдаем, а также решать задачи, которые возникают при детальном исследовании вопроса.
Поскольку полное изложение теории относительности все-таки не входит сейчас в мою задачу, - улыбнулся Трайланг, - я сосредоточусь на одном ее аспекте, а именно – на эффекте замедления времени. Представим себе, что мы отправляем космический корабль с Земли, разгоняя его до субсветовых, то есть почти световых, скоростей, затем тормозим его, разворачиваем, разгоняем снова и снова тормозим уже у Земли. Космонавт проживет только один час своей жизни, а у нас может пройти месяц или год – смотря насколько близко к скорости света был разогнан корабль.
Возникает кажущийся парадокс – движение ведь относительно, и почему постареем именно мы – оставшиеся на Земле? Ведь с точки зрения космонавта он видит, что именно Земля стала быстро удаляться от него, потом затормозила и повернула обратно. Тем не менее постареем именно мы, потому что несмотря на симметричный график нашего движения друг относительного друга, мы испытаем РАЗНЫЕ ощущения. Материя, из которой мы состоим, подвергнется разным воздействиям. Когда космический корабль начнет разгоняться, именно космонавт почувствует резкое нарастание своей массы- так называемую «перегрузку». И обратно – во время торможения именно от снова ее испытает. Именно во время ускорения наши системы координат перестают быть симметричными, равноправными, как это было бы в случае равномерного прямолинейного движения друг относительно друга.
Интересных задачек можно придумать сколько угодно, например – если космонавт, летящий со субсветовой скоростью, включит фонарик и выпустит луч света по хочу своего движения, то – исходя из того, что скорость света в вакууме всегда одна и та же (якобы «замедление» света при прохождении его в различных средах мы не рассматриваем, так как замедление это кажущееся, происходящее в силу множественного преломления света и увеличения, таким образом, его траектории), получится, что и космонавт летит со скоростью почти равной скорости света, и свет его фонарика улетает от него почти что с той же скоростью! То есть что – космонавт будет видеть, как фотон улетает от него со скоростью улитки? Нет. С точки зрения космонавта свет будет улетать от него с той же самой скоростью – 300 тысяч километров в секунду, но МЫ, смотря на все это, будем видеть, как фотон мирно пасется впереди космонавта.
Для того, чтобы описывать такие удивительные картины, удобно ввести понятие «сокращения пространства». Мы говорим, что пространство сокращается в направлении движения. При доступных нам скоростях ни замедления времени, ни сокращения пространства мы заметить не в состоянии, но в специальных опытах, где элементарные частицы разгоняются до субсветовых скоростей, оба эти явления проявляются исключительно зрелищно. Например, элементарная частица, будучи разогнана в ускорителе, может прожить в тысячи раз дольше другой такой же частицы, которая не подвергается ускорению.
При введении понятия «сокращения пространства» мы можем данные парадоксы описывать на более понятном нам языке. Мы будем видеть, как фотон черепашьим темпом убегает от космонавта, но это с НАШЕЙ точки зрения, а ведь и фотон, и космонавта, и пространство между ними мы видим в чудовищно сжатом виде, и тот самый сантиметр, на который с нашей точки зрения удалится фотон от космонавта за секунду, в мире того космонавта будет равен все тем же тремстам тысячам километров. Ну и сам космонавт будет выглядеть для нас, имеющий микроскопическую толщину в направлении его движения. Мы для него, в свою очередь, будем выглядеть столь же смехотворно.
Еще можно упомянуть о массе. Масса – фактически это мера инерции тела. Или наоборот – инерция тела – мера его массы. С точки зрения уравнений физики это все равно. То есть если я хочу разогнать апельсин, я должен начать постоянно прикладывать к нему силу, тратя на это энергию – апельсин начнет разгоняться, и будет испытывать при этом перегрузку. Говоря о массе, желательно провести точную грань между понятиями «масса» и «вес». Масса – это именно мера инертности тела – об этом мы сейчас и будем говорить. В то время как «вес» - это сила, с которой тело давит на опору. Для удобства нашей предметной деятельности, мы используем эти термины как обозначающие одно и то же. Мы можем сказать «этот апельсин имеет массу в килограмм», и можем сказать «он весит килограмм» - с точки зрения физики, эти утверждения не равноценны, но в нашей бытовой жизни мы этими тонкостями пренебрегаем, и сейчас мы тоже ими пренебрежем.
Итак – при разгоне апельсин будет испытывать перегрузку, при этом его вес будет расти, так как если бы апельсин лежал на весах, то при ускорении весы показали бы увеличение веса, то есть увеличение силы, с которой апельсин давит на чашку весов.
Для того, чтобы теория относительности была непротиворечивой, Эйнштейну пришлось предположить, что именно потому мы и не можем разогнать некое тело до световой скорости, что при приближении к скорости света масса тела стремится к бесконечности, и соответственно мы должны до бесконечности увеличивать необходимую для этого энергию. Эффект увеличения массы при релятивистских скоростях мы также прекрасно можем наблюдать в ускорителях – частица, несущаяся со субсветовой скоростью мимо нас, может весить в тысячи раз больше, чем та же частица, которая относительно нас покоится.
Как вы знаете, Эйнштейну еще пришлось ввести тождество массы и энергии, и язык физики еще более упростился – несущаяся с огромной скоростью МИМО НАС частица обладает с нашей точки зрения огромной кинетической энергией, а поскольку энергия эквивалентна массе, то и не удивительно, что такая частица имеет огромную массу. С точки зрения той несущейся мимо нас частицы все, конечно, наоборот – именно мы несемся мимо нее и обладаем огромной массой. Получается удивительное явление – масса является относительным понятием! Она зависит от системы отсчета. Ну и опять-таки множество экспериментов показали, что масса и энергия в самом деле могут превращаться друг в друга, или, говоря более точно, некий объект, проявляющий себя для нас как «частица», при определенных условиях начнет проявлять себя как «энергия», «излучение», причем количественное соотношение удовлетворяет известной эйнштейновской формуле E=MC2
Эйнштейн ввел еще эквивалентность понятия «гравитация» и «кривизна пространства», он сделал еще множество удивительных предсказаний, которые блестяще подтверждались одно за другим. Но я об этом говорить не буду – для моих целей эта информация избыточна, а осталось лишь упомянуть про время. Время, с точки зрения Эйнштейна, замедляется в движущихся системах, и тем больше, чем больше скорость. На самом деле, когда мы говорим о замедлении времени, нам необходимо ясно понимать, что эта фраза – лишь удобное обозначение некоторых наблюдаемых явлений. Например, разогнав нестабильную частицу в ускорителе до субсветовых скоростей, мы можем, не веря своим глазам, заметить, что период времени, прошедшего до момента ее распада, вырос в десятки, сотни, тысячи раз! Частица стала супердолгожителем! Вот это да – вот это путь к долголетию:) Да? – Трайланг воодушевленно подпрыгнул. – Увы, нет. Время жизни этой частицы увеличилось только с нашей точки зрения – в нашей системе отсчета. В «ее собственном мире» частица прожила свою обычную жизнь, с изумлением наблюдая за тем, как мы, двигающиеся относительно нее с чудовищной скоростью, якобы превратились в долгожителей. С нашей точки зрения все физические процессы, протекающие в несущейся мимо нас системе, начинают протекать медленнее. Но вводить поправочные коэффициенты для ВСЕХ величин – глупо, невозможно. Поэтому мы делаем хитрый ход – мы просто говорим, что в движущейся системе «замедляется время» - и все становится сравнительно простым и понятным.
