Что такое относительность. Время и относительность

Две теории относительности Эйнштейна заменили многие концепции, сложившиеся в рамках ньютоновской физики. Общая теория относительности описывает гравитацию, а специальная - предсказывает, как поведут себя объекты, скорость которых приближается к скорости света.

Что такое относительность. В сердцевине относительности лежит понимание сущности того, как мы измеряем пространство и время. Вообразите человека, читающего книгу в поезде.

С точки зрения этого человека, его книга неподвижна, что несомненно правильно в рамках его системы отсчета. Представьте теперь женщину, стоящую на платформе, которая видит мужчину и его книгу через окно вагона проходящего мимо поезда. Если поезд движется со скоростью 100 км/час, то для женщины книга движется вперед со скоростью 100 км/час. Теперь представьте девушку, едущую во встречном поезде со скоростью 20 км/час. Она также видит мужчину, читающего книгу, когда их вагоны проезжают мимо. Для нее книга проносится назад со скоростью 120 км/час. Наконец, вообразите космонавтов в космосе. С их точки зрения, книга вращается вокруг Солнца со скоростью тысяч километров в час.

Нет фиксированной точки. Все зависит от системы отсчета. Использование различных точек отсчета приводит к совершенно различным результатам измерений. Теория относительности делает это положение отправной точкой: не существует абсолютного измерения пространства. Ни один объект не может оставаться в покое в пространстве. Следовательно, не существует неподвижной точки, относительно которой можно проводить абсолютные измерения.

Скорость света. Но все же один абсолют существует - скорость света. В отличие от всего остального во Вселенной скорость света не зависит от системы отсчета. Однако скорость есть расстояние, пройденное за промежуток времени. Если скорость света постоянна, то расстояние и, что особенно важно, время подвержены изменениям в зависимости от точки наблюдения. Это величайшее открытие Эйнштейна: время не постоянно, оно может идти быстрее для одних наблюдателей, чем для других, в зависимости от обстоятельств.

Много энергии из капельки массы. Ньютоновская физика рассматривала массу и энергию как различные сущности. Однако специальная теория относительности стерла различия: согласно ей, масса есть «замороженная» энергия. По уравнению Е=mс² энергия, заключенная в массе, колоссальна. Поскольку с² - квадрат скорости света - равен 90000000000000000, в каждой единице массы (m) заключено 90000000000000000 этого количества энергии.

Это была та догадка, которая открыла путь для практического использования энергии материи, добываемой путем расщепления атома (более точно, атомных ядер). Теоретически в ядерном реакторе можно выработать из 100 г топлива энергию, достаточную для непрерывного горения миллиона 100-ваттных лампочек в течение трех лет. Атомная бомба может произвести такое же количество энергии из 100 г заряда. Вот почему боеголовка, умещающаяся на кухонном столе, может при взрыве разрушить целый город.

Частная теория относительности. Специальная теория относительности (опубликована в 1905) описывает поведение объектов, движущихся в «специальном», свободном от гравитации пустом пространстве.

Она содержит ряд поразительных предсказаний по поводу массы, энергии и времени. Наряду с другими положениями утверждается:

- Масса и энергия эквивалентны и могут превращаться друг в друга. Это зафиксировано в знаменитом уравнении Е = mс2. Другими словами, энергия (Е) объекта в покое эквивалентна его массе (m), умноженной на квадрат скорости света (с).

- При ускорении тела его энергия и масса возрастают, а длина уменьшается в направлении движения. Если бы объект был способен достичь скорости света, он имел бы бесконечную массу и нулевую длину. Это означает, что скорость света - это высший предел скорости во Вселенной.

- В движущемся объекте время кажется текущим медленнее для наблюдателя снаружи, хотя оно кажется текущим «нормально» для движущегося субъекта. Такое различие становится заметным только при приближении к скорости света. Это означает, что измерение времени, подобно измерениям пространства, относительно, а не абсолютно.

Общая теория относительности. Закон гравитации Ньютона утверждает, что гравитация есть сила, действующая между двумя телами, и ее величина зависит от массы каждого из тел и расстояния между ними.

Он предполагает, например, что гравитационное притяжение Солнца воздействует на планеты » Солнечной системы мгновенно. Но это несовместимо с концепцией специальной теории относительности, по которой ничто не может двигаться быстрее скорости света.

Объяснение гравитации относительностью. В 1915 Эйнштейн предложил общую теорию, которая объяснила гравитацию, как свойство пространства, времени и массы, а не силу притяжения между телами. Присутствие гравитационного поля есть результат искривления пространства-времени вокруг тела, тогда как отсутствие гравитационного поля оставляет пространство-время плоским.

Чтобы это понять, представьте пространство-время как растянутый резиновый лист. Если на него положить тяжелый шар, он создаст углубление. Шар меньшего размера, катящийся по листу, попадет в углубление и скатится к тяжелому шару.

Солнце и планеты. Ньютоновская физика объясняет кривизну орбит планет вокруг Солнца тем, что планеты притягиваются к нему силой гравитации. Общая теория относительности утверждает, что траектория планет искривлена из-за того, что Солнце с его огромной массой возмущает и искривляет пространство-время вокруг себя.

В искривленном пространстве общей теории кратчайшим расстоянием между двумя точками является кривая, по ней движется планета. Это относится и к свету, который «изгибается» по кривой в пространстве-времени.

Время и относительность. Как это может быть, что время течет с разной скоростью для одного человека по сравнению с другим? Пусть два космических корабля со скоростью 99% скорости света пролетают на расстоянии 300 000 000 м друг от друга. Один корабль посылает другому вспышку света. Для космонавтов на борту свет распространяется по прямой, поскольку оба корабля не изменяют положения друг относительно друга, и это занимает 1 секунду.

Однако наблюдатель на Земле, рассматривая корабли в телескоп, видит луч света, идущий по диагонали. Этот путь, очевидно, длиннее, чем наблюдаемый космонавтами; с этой точки зрения, свет между кораблями проходит больший путь.

И космонавты, и земной наблюдатель - очевидцы одного и того же события, но каждый со своей точки отсчета. Наблюдатель на Земле видит, что луч света проделывает в семь раз больший путь между кораблями, чем это видно космонавтам. Однако скорость света постоянна - это единственная константа во Вселенной. Поэтому единственным объяснением большего видимого пути света для земного наблюдателя служит то, что само время течет для него медленнее, чем для космонавтов в звездолетах. Время идет с неодинаковой скоростью для наблюдателя и космонавтов. Оно, подобно пространству, связано с системой отсчета, в которой его измеряют.

Пространство-время. Общая теория относительности предложила концепцию пространства-времени. В классической физике пространство воплощает идею расстояния и имеет три плоскости измерения. Объект может двигаться в трех плоскостях, чтобы достичь определенной точки: вперед или назад, вправо или влево, вниз или вверх.

Рассматривая пространство-время как резиновый лист, легче понять, как большой массивный объект сильнее искривляет его по сравнению с малым. Последний «падает» к большему - эффект, известный как гравитация

Движение, несомненно, включает также и четвертое измерение - время. Время и три измерения пространства могут быть объединены в четырехмерную систему пространства-времени, или пространственно-временной континуум. Согласно общей теории относительности, пространствовремя, масса и гравитация взаимозависимы.

Относительность: доказательство. Со времени, когда Эйнштейн выдвинул идею относительности, многие ее положения проверили экспериментально, и их правильность была подтверждена.
- Было показано, что атомные часы на космическом корабле немного отстают от земных атомных часов.
- Физика высоких энергий установила, что у субатомных частиц, движущихся со скоростью света, масса возрастает, как предсказал Эйнштейн.
- Свет от звезд «изгибается» Солнцем, подтверждая искривление пространства-времени массой.
- Частицы космических лучей, достигнув земной атмосферы, должны существовать лишь малые доли секунды. Однако они живут значительно дольше (достаточно для их обнаружения), поскольку движутся в пространстве со скоростью света и время для них замедлено.