Теория относительности относительно просто! Разбираем!

1,3k full reads
3,7k story viewsUnique page visitors
1,3k read the story to the endThat's 38% of the total page views
6,5 minutes — average reading time
Теория относительности относительно просто! Разбираем!

Если задуматься, то относительность в нашей жизни присутствует не только в физике. Например, кто-то очень любит шоколадные конфеты, покупает их в очень больших количествах и ест, совершенно не замечая того, как только что приобретённый пакет сладостей исчезает буквально на глазах. А кто-то посмотрит на этого сладкоежку и совершенно не поймёт сего пристрастия. Как-то раз один мой знакомый сказал, что все конкурсы красоты совершенно несправедливы: всё ведь относительно! Кому-то нравятся высокие люди, кому-то – низкорослые, кто-то предпочитает смуглых и темноволосых, а кто - без ума от северной бледности. И как же в таком случае выбрать самого красивого человека в мире?

Если подбираться ближе к физике, то пример относительности времени тоже каждому из нас знаком с детства: помните, как вы считали минуты до конца скучного урока в школе, и как незаметно пролетали те же самые 45 минут, когда вы играли с друзьями в футбол? И такие случаи встречаются каждый день! Мы психологически чувствуем ход времени и осознаём, что оно относительно.

Теория относительности относительно просто! Разбираем!

Относительность проявляется и в движении объектов. Излюбленный способ релятивистов описывать эту интересную теорию простым языком – рассказывать знаменитый случай с поездом. Представьте, что вы сидите в вагоне и смотрите в окно. Вы движетесь относительно станции, а относительно поезда вы находитесь в состоянии покоя. Если вы захотите прогуляться в другой конец вагона за водой, то вы уже будете двигаться и относительно станции, и относительно самого поезда. Относительность повсюду!

Теория относительности относительно просто! Разбираем!

Однако сама Теория относительности в физике непосредственно начинается с загадки света. Датский астроном 17 века Оле Рёмер наблюдал за крупнейшими спутниками Юпитера – Ио, Каллисто, Европой и Ганимедом, и заметил, что периоды их исчезновения и появления за гигантской планетой происходят с разными интервалами времени. Так Рёмер впервые догадался, что скорость света конечна. До этого считалось, что у скорости света нет предела. Если бы она была бесконечна, то появление спутников происходило бы через строго определённые промежутки времени: ровно в тот момент, когда они происходят на Юпитере, мы бы их видели и на Земле. Если же у скорости света всё-таки есть предел, тогда мы увидим затмение спутника спустя какое-то время – и это будет столько, сколько свету понадобится времени для преодоления расстояния от Юпитера до Земли. Чем меньше расстояние от Земли до Юпитера, тем меньше будет этот временной отрезок и, соответственно, наоборот. Проверить это не составит труда, ведь планеты постоянно движутся по своим орбитам. И у Рёмера даже получилось измерить скорость света с учётом длительности затмений и их фаз, правда, значение это весьма отличается от нам известного, но всё же Рёмера нельзя не похвалить, ведь согласно его вычислениям, скорость света равнялась 220 000 км/с!

Как Рёмер измерял скорость света
Как Рёмер измерял скорость света
Как Рёмер измерял скорость света

Но как же свет распространяется в пространстве? Почти 200 долгих лет никто не мог объяснить это. Лишь Джеймс Максвелл объединил две до этого разрозненные теории электрических и магнитных сил. Его уравнения предсказывали наличие некоего волнообразного возмущения сущности, которой дал название – электромагнитное поле. Такие возмущения всегда должны быть с постоянной скоростью, которая, как оказалось, равна скорости света. Сейчас мы знаем, что те самые «возмущения Максвелла» - это обычный свет, который всегда движется со стабильной скоростью, и, в отличие от нас, он не может мчаться быстрее или медленнее. Так пошатнулись теории Ньютона о том, что пространство бесконечно. Ведь теперь самый главный вопрос – что ОТНОСИТЕЛЬНО чего?

Для начала отметим, что существуют две Теории относительности:

1. Специальная теория относительности (СТО) – она рассматривает физические процессы в равномерно движущихся объектах. В её основе лежит принцип, согласно которому любые законы природы одинаковы относительно неподвижных и относительно движущихся с постоянной скоростью тел. Сама же скорость света постоянна и не зависит от источника. Что это значит? Представим космический корабль, летящий на околосветовой скорости. Впереди этого корабля, как у любого автомобиля, есть «фары». Фотоны, исходящие от этих «фар», будут лететь относительно корабля со скоростью света. Но относительно землянина, который будет смотреть на этот корабль, сидя на скамейке, эти фотоны, казалось бы, должны лететь быстрее, ведь к ним должна добавляться скорость корабля. Но этого, как ни странно, не происходит, и сторонний наблюдатель будет видеть фотоны, летящие всё с той же стабильной и неизменной скоростью света (300 000 км/с), как будто бы скорость корабля к ним и не добавилась вовсе. Как ни крути, а скорость света всегда одинакова, и никакой сверхбыстрый космический корабль не может дать «волшебного пинка» фотонам, как по теннисному мячику. Отсюда вытекают следующие выводы:

- чем больше скорость объекта, тем медленнее для него будет идти время. Чтобы это представить, вообразите себе два космических корабля, летящих на околосветовых скоростях. Корабль под № 1 летит выше, а корабль № 2 – ниже, под первым. Вы наблюдаете за этими кораблями с Земли. Пилот корабля № 1 выпустил луч света на корабль № 2, чтобы проверить, как работает относительность. Раз оба корабля движутся с одинаковой скоростью, то луч света пойдёт под прямым углом точно вниз. А вот земной наблюдатель не сообразит, что происходит, так как он увидит, как свет двигается по диагонали. Катет всегда меньше гипотенузы, поэтому наблюдателю на лавочке покажется, что луч света преодолел больший путь. Скорость света одинаковая, поэтому ему понадобилось больше времени. Вывод: на одно и то же событие с точки зрения движущихся объектов времени уйдёт меньше, чем для неподвижных седоков на лавочках. Вот так и замедляется время в движении, и чем быстрее вы будете двигаться, тем сильнее этот эффект. Может быть, поэтому нам скучнее было сидеть на неинтересном уроке, чем играть в футбол?

Теория относительности относительно просто! Разбираем!

- в движении предметы становятся меньше, причем, они сокращаются в такое же количество раз, во сколько замедляется время. Корабль, движущийся с околосветовой скоростью, будет казаться крошечной точкой, даже если он пролетает мимо не так далеко от вас.

Теория относительности относительно просто! Разбираем!

- при движении тел их масса увеличивается. Чем быстрее движется тело, тем труднее его остановить (представьте аналогию с автомобилем). Чем быстрее нам надо разогнаться, тем больше энергии затратить из-за увеличения массы. На околосветовых скоростях масса космических объектов была бы просто невообразимой, а на скорости света и вовсе бесконечной, а это значит, что нельзя разогнать никакой объект, имеющий массу покоя, до скорости света, так как нужно бесконечное количество энергии (а где её взять?). У фотона нет массы покоя, поэтому он и может так быстро двигаться.

2. Общая теория относительности (ОТО) – она рассматривает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение гравитации.

Специальная теория относительности появилась раньше и является частью общей.

Общая теория относительности говорит нам ещё и о том, что мы живём в четырёх измерениях: трёх пространственных и одном временном, ведь нельзя же договориться о встрече, указав время, но не сказав при этом – где именно вы задумали увидеться, или наоборот – назвать место, но не указать время. Отсюда вытекает то, что мы живём внутри пространственно-временного континуума (или ткани – как вам больше нравится). Массивные объекты способны искривлять эту ткань точно так же, как ткань гамака искривляется, когда на него кто-то садится или ложится. Именно поэтому вблизи массивных объектов время тоже замедляется, ведь посмотрите на искривление пространственно-временной ткани: свету придётся преодолеть гораздо большее расстояние рядом с ними!

Как массивные объекты искривляют пространство-время
Как массивные объекты искривляют пространство-время
Как массивные объекты искривляют пространство-время

Чем сильнее гравитация, тем медленнее идет время. И этот эффект замедления времени учитывается при расчёте GPS-координат. Если бы этой разницы не учитывалось, то на следующий же день буквально погрешность координат составила бы 10 км! Поэтому именно благодаря Эйнштейну и Теории относительности вы не сможете заблудиться в незнакомом городе или в лесу!

Я – релятивист, а вы?)

Вам может быть интересно:

Нельзя просто так взять и повернуть время вспять: гипотеза защищённости хронологии Стивена Хокинга

Видимая (Наблюдаемая) Вселенная - это сколько?

Сколько измерений во Вселенной?

Какого цвета космос? Почему он чёрный?

Последние мгновения жизни Вселенной: что с ней станет?

Всё ли предопределено? Что об этом говорит наука?

"Бог не играет в кости" и Принцип неопределённости Гейзенберга

Доказательства виртуальности нашего мира

Эфир Николы Теслы VS Теория относительности Альберта Эйнштейна