Популярно о Теории Jтносительности

Предупреждение: популярно - это не значит, что понятно с полуслова и вааще без формул. Теория относительности не может быть понята на житейском уровне. Эффекты, описываемые ею невозможно наблюдать непосредственно в повседневной практике. Поэтому найти аналогию с чем-то привычным и обыденным не получится. Хотя часто в научно-популярных книгах для иллюстрации эффектов Теории Относительности используются какие-нибудь космические корабли длиной триста тысяч километров, причаливающие к такой же длиннющей платформе, или поезда, движущиеся со скоростью света, объяснения с использованием этой громоздкой техники сами зачастую получаются громоздкими.

Формулы были придуманы для того, чтобы описывать явления более точно и адекватно.И если простую механику мы можем наблюдать, то эффекты теории относительности можно проследить лишь в специально подготовленных экспериментах.

Простую механику можно понять на интуитивном уровне, поскольку к её законам мы привыкли, мы с ними сталкиваемся в повседневной жизни. Но объяснить Теорию Относительности на одном пальце не получится.

В данной статье будут использоваться наиболее простые формулы, с минимумом переменных и закорючек. Они не подойдут для расчёта всех случаев жизни, но по крайней мере помогут понять и почувствовать суть происходящего.

Благодарности

Выражаю благодарность Гарику (http://zhurnal.lib.ru/g/garik/) за ответы на некоторые вопросы, связанные с данной темой и за полезные ссылки и за тексты, материал из которых здесь использован.

Введение

Как многие, вероятно, слышали, перемещение физических тел со сверхсветовыми скоростями не возможно. Фундаментальные причины этого факта до сих пор не имеют объяснения. Факт предельности скорости света вводится как постулат.

Постулаты физики - это что-то вроде математических аксиом - "принимаемые на веру" начальные положения, на которых основывается теория. Сами постулаты нельзя ни доказать, ни проверить, тем не менее, для них есть свой критерий истинности. Если построенная на постулатах теория согласуется с экспериментальными данными и научными наблюдениями, то постулаты считаются верными.

Здесь не даром употреблено слово "считаются" а не, например, "являются", потому что для некоторых теорий бывает сложно поставить такие эксперименты и получить такие факты, которые бы дали неоспоримые и незыблемые доказательства правильности тех или иных положений теории.

Первый постулат Теории Относительности был позаимствован ещё из Ньютоновой механики.

Для того, чтобы говорить о движении тел, надо выделить какую-либо неподвижную точку. Но вот вопрос - какую точку считать неподвижной? Если рассматривать ситуацию в космическом пространстве, где вдалеке от всех прочих тел с разными скоростями движутся два космических корабля, то пилоту одного из кораблей будет казаться, что второй корабль движется относительно него, а сам он неподвижен. Пилот второго корабля будет видеть неподвижным себя, а первый космпческий корабль - движущимся.

Если скорости движения кораблей, к тому же, не меняются, то ни один из пилотов не сможет определить, движется ли он сам относительно какой-либо абсолютно неподвижной точки.

С такими космическими кораблями, которые движутся с постоянной скоростью, можно связать инерциальные системы отсчёта. Это такие системы, которые не испытывают ускорения и на которые не действуют никакие силы извне. Все инерциальные системы отсчёта равноправны. Все эксперименты, проводимые на бортах космических кораблей, движущихся с постоянными скоростями, будут давать одинаковые результаты.

Первый закон Ньютона, положенный в основу перврго постулата теории относительности, отрицает существование привелегированных систем отсчёта, которые можно было бы назвать "покоящимися". В Ньютоновой механике все равномерные движения относительны.

1. Постулат (принцип) относительности.

   В любых инерциальных системах отсчёта (ИСО) все физические явления при одних и тех же условиях протекают одинаково. Иначе говоря, принцип относительности утверждает, что физические законы независимы (инвариантны) по отношению к выбору инерциальной системы отсчёта: уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчёта.

   Это означает, что говорить об абсолютном движении относительно некоего неподвижного эфира нет смысла, поскольку не существует эксперимента, с помощью которого можно определить движение наблюдателя относительно эфира.

2. Постулат (принцип) инвариантности скорости света.

   Скорость света в вакууме не зависит от движения источника поля. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчёта, являясь одной из важнейших физических постоянных.

В Теории Относительности под термином "скорость света" обычно подразумевается не скорость какого-либо конкретного фотона, экспериментально измеренная физическая константа, которую принято обозначать латинской буквой c. Эта константа равна 299 792 458 ± 1.2 м/c ≈ 3·10⁸ м/c. [1]

Со скоростью света движутся все частицы, не имеющие массы покоя. Фотоны - кванты света, лишь одни из них. Со скоростью света распространяется гравитационное взаимодействие, а так же электрическое и магнитное поля в вакууме.

Второй постулат Теории Относительности в разных литературных источниках трактуется с некоторыми вариациями. Так, например, в одних изданиях делается специальное замечание насчёт того, что скорость света вообще является предельной скоростью, то есть ни одно взаимодействие и никакое физическое тело не может двигаться быстрее скорости света [2]. В других источниках может быть сказано, что скорость света является предельной лишь для распространения взаимодействий (взаимодействия осуществляются за счёт полей), но в принципе, Теория Относительности не запрещает движения со сверхсветовой скоростью [3].

В настоящее время Теория Относительности вызывает некоторые споры среди занимающихся ею людей. Часто встречаются работы, в которых в Теорию относительности вносятся поправки и изменения [4, 5, 6]. Такие поправки не приводят к опровержению или глобальному пересмотру всей теории, они касаются, как правило, наиболее спорных моментов, которые вряд ли возможно проверить или однозначно трактовать.

Некоторые выводы Теории Относительности всё же удалось проверить. Например, некоторые скептики склонны были считать, что все эффекты, описанные Теорией Относительности являются чисто наблюдаемыми эффектами и связаны с конечной скоростью распространения сигнала и больше ни с чем.

Конечная скорость распространения сигнала приводит к тому, что мы видим события с некоторым опозданием. Если система, в которой происходят эти события, к тому же, удаляется от нас, то такое опоздание становится всё больше и больше, и это может приводить к чисто наблюдаемому эффекту замедления времени.

Но всё же, такое утверждение не согласуется с действительностью. Согласно данным некоторых экспериментов, поставленных с целью проверки Теории Относительности, эффекты связаны не только с конечной скоростью распространения сигнала.

Например, нестабильные элементарные частицы пи-мезоны, которые летели по прямой с релятивистскими⁽¹⁾ скоростями, пролетали пару сотен метров. Время жизни пи-мезона 2.5·10^-8 секунды. Если бы его время жизни не зависело от скорости, то, даже, имея скорость света, он мог бы пролететь только 7.5 метров, а в эксперименте пи-мезоны улетели на пару сотен метров [*].

Из этих экспериментов следует, что наши представления о пространстве и времени нуждаются в пересмотре.

Прежде чем говорить о пространстве и времени с точки зрения Теории Относительности, всё-таки следует отметить, что создана она была не на голом месте, а потому, что ряд экспериментальных данных не укладывался в рамки общепринятых теорий. И объяснить наблюдаемые явления удалось только тогда, когда была построена Специальная Теория Относительности (СТО), в которой как раз вводятся новые представления о пространстве и времени.

В рамках СТО пространство и время больше не рассматриваются независимо друг от друга, и вводится новое понятие - пространство-время⁽²⁾.

Но как поставить эксперимент, подтверждающий второй постулат теории относительности о предельности скорости света? Пока ответ на этот вопрос остаётся не ясным, по крайней мере, для меня. Со скоростью света дело обстоит не так уж просто. Её значение было измерено, эксперименты показывали, что оно одно и то же во всех ИСО, но экспериментально не доказано, что эта скорость является максимально возможной.

Как говорил Эйнштейн: не возможно поставить эксперимента, подтверждающего теорию, можно только получить экспериментальные данные, опровергающие её [7].