СТО - это учение о единстве Пространства и Времени. В отличие от учений, в которых Пространство и Время наделяются вымышленными свойствами, взятыми из мира образов, СТО не имеет интуитивно приемлемой формы, и ее единственно корректный язык - математический. Однако выводы СТО можно освоить и без математики, если согласиться с положениями, которые чужды обыденному опыту.
На этапе становления СТО была непонятна многим. Современное восприятие СТО основывается на соглашении об ограниченности возможности познания мира посредством образного мышления, сформировавшегося в процессе предметной деятельности. Сейчас СТО применяется в инженерных расчетах, причём без существенного изменения ее начальной трактовки. Следует отметить, что, в отличие от религиозных и мистических учений, в которых тоже много непонятного с точки зрения здравого смысла, в теории относительности все положения совершенно конкретны, а предсказания безошибочны.
Основное положение СТО имеет, на первый взгляд, “безобидный” характер и формулируется так: нет скорости большей, чем скорость света. Это значит, что свет пролетает мимо движущегося объекта с такой же скоростью, с какой свет удаляется от своего источника. Такое утверждение не согласуется с очевидным представлением о сложении скоростей. В СТО это несогласие решается так: скорости складываются обычным образом, пока они гораздо меньше скорости света. Ну, что ж, сознание может с этим мириться. Ведь мы не имеем обыденного опыта сложения невообразимо больших скоростей.
Следующее положение СТО подобно Принципу Галилея: на всех “кораблях”, движущихся с неизменной по величине и направлению скоростью, все явления происходят одинаково. Иными словами, никак невозможно выявить движение “корабля”, не выглядывая из него, путём постановки одних только физических опытов. Да и если выглянешь, то нельзя узнать, движется ли “корабль”, или ему навстречу двигается окружение.
Все “корабли”, снабженные одинаковыми измерителями времени и длины - часами и линейками, - называют системами. Свободное движение с неизменной скоростью происходит по инерции. Поэтому движущиеся равномерно “корабли” называются Инерциальными Системами (ИС).
Если обитатели разных ИС могут сообщать друг другу любые сведения, но лишены возможности видеть, что происходит у соседей, то тогда различия между ИС выясняются только из сопоставлений сведений об одинаковых явлениях в разных ИС. Утверждается, что никаких отличий при таких сопоставлениях не обнаружится. Так, например, во всех системах отношение длины окружности к ее диаметру будет примерно равно 3,1415, а килограмм массы воды будет иметь объем 1 литр, и т.п. Правда, нефизические величины, например, денежная единица может оказаться у всех разной.
То, что у всех всё одинаково, кажется естественным, и такое представление, что инерциальное движение не влияет на свойства мира, сохранится, пока не появится возможность посмотреть, как говорят, своими глазами, что же делается у соседей. И когда увиденное не совпадет с сообщаемым ими, тогда обнаружится, что соседи - лжецы. Правда, они уличат нас в том же.
Например, мы наблюдаем за дуэлью (которую обсуждал Галилей), происходящей в соседней ИС, пролетающей мимо нас, и одновременно слушаем репортаж, передаваемый с места события. Мы услышим, что по сигналу оба дуэлянта выстрелили одновременно и получили ранение одновременно. Но увидим, что никакой одновременности не было: сначала до сигнала выстрелил один из дуэлянтов, а затем, уже после сигнала, увидим огонь другого выстрела. Если мы способны наблюдать быстрые процессы, то увидим и то, что сначала пуля достигла стрелявшего первым, а затем - второго.
Поразмыслив над несовпадением увиденного и услышанного, мы объясним это несоответствие тем, что свет с места события приходит с запозданием, тем большим, чем дальше от нас его источник. Зная положения участников события и сосчитав ожидаемые запаздывания, мы обнаружим опять несовпадение с увиденным и тогда заподозрим неладное в проведении дуэли. Однако, наш представитель на дуэли сообщит, что все было правильно.
Более того, он сообщит, что у соседей все как у нас. Это удивительно, так как с тех пор как у нас появилась возможность видеть соседей, многое у них показалось странным. Например, их некоторая сжатость в направлении движения, как при искажении на экране телевизора. Так, колёса у их транспорта нам покажутся не круглыми, а эллиптическими.
Ну, хорошо, положим, что такое возможно. Но это кто-нибудь видел - вправе спросить вы. Нет, не видел. Данные картины нарисованы на основе математического описания реальности. Расчеты предсказывают, что так получится в определенных условиях. Парадоксальные предсказания СТО проверялись экспериментально и оказались верными. И это даёт абсолютную уверенность в том, что дуэль будет выглядеть как описанная, разумеется, с массой оговорок в отношении технической возможности её осуществления и получения о ней информации.
Итак, согласимся с тем, что события в ИС выглядят по-разному для их обитателей и наблюдателей из другой ИС. Меру различия этих видений определяют относительные скорости ИС: чем они больше, тем значительнее будут отличия. Причем обитатели обоих ИС обнаружат одинаковые отличия у своих партнёров. Так, например, будут наблюдаться сжатие длин в направлении относительного движения и замедление хода времени у других.
Эта обнаруживаемая относительность масштабов Пространства и Времени хотя и смущает, но не убеждает, что это истинные изменения Пространства и Времени, а не кажущиеся явления. Странно, конечно, что время у соседей течет медленнее, чем у нас, а соседи утверждают обратное. Но такое не так уж и необычно. Так, при перестрелке из двух одинаковых автоматов, движущиеся во встречных направлениях два стрелка заметят, что частота пролётов мимо них "чужих" пуль меньше частоты собственной стрельбы.
Действительно странное предсказание СТО – это Относительность Одновременности. В СТО утверждается, что события, происходящие одновременно в разных местах одной ИС, видны из другой как не одновременные. При этом не имеется в виду такое понятное явление, как запаздывание сигнала, пришедшего с места события, которое произошло одновременно с событием в другом, более близком к нам месте, откуда сигнал пришел к нам первым. Истинная не одновременность будет обнаруживаться с учетом запаздывания.
Хотя такое и странно, но все равно кажется, что одно дело “видится”, а другое - “как на самом деле”. Такая позиция предполагает, что есть принципиальная возможность узнать, что же действительно случается.
А оказывается, что такой возможности нет. Это выяснил Эйнштейн. Он, образно говоря, обежал все Пространство, развешивая, по его словам, одинаковые часы и пробуя разные способы определить, что же на самом деле в неподвижной Системе соответствует увиденному из движущейся Системы. Ответ оказался альтернативным: если в природе скорости Движения неограничены, то тогда можно определить безусловную хронику событий, но если есть предел скорости Движения, то выясняется только относительная хроника событий и нельзя указать предпочтительного “на самом деле”.
Вот к каким следствиям привело “безобидное” допущение существования предельной скорости Движения. Почему эта скорость оказалась скоростью света, известно только отчасти. До некоторой степени можно объяснить, почему из-за ограничения скорости Движения невозможно выяснить абсолютный характер событий. Так, если скорость света определить как отношение длины луча ко времени его образования, то для того, чтобы значение скорости света было одинаковым для всех, движущихся относительно источника света, нужно допустить, что либо длина луча, либо время его формирования, либо то и другое наблюдаются разными в зависимости от скорости движения наблюдателей. Оказывается, что “и то и другое” следует считать изменяемыми и взаимосвязанными величинами. Теперь остается сделать решающий шаг: допустить, что наблюдаемые изменения масштабов длин и времени есть действительные изменения Пространства и Времени, вызванные Движением.
Итак, приходится примириться с тем, что представление о неизменяемости Пространства и Времени несовместимо с положением о принципиальной ограниченности скорости Движения, но и при этом остается чувство, что изменяемость Пространства и Времени приходится принять только из-за ограниченности наших возможностей наблюдений. Пpосто чужие Пространство и Время выглядят иначе со стороны. При этом ничего с ними не происходит. Но Теория Относительности идет дальше и утверждает, что эти изменения Пространства и Времени действительны. Естественно спросить: в каком смысле? В таком, что эти изменения проявляются не только во взгляде со стороны, а ощутимы, так сказать, предметно. И это хорошо иллюстрируется Парадоксом Близнецов - вымышленной ситуацией с впечатляющим финалом.
Пусть один из двух близнецов отправляется в далекое космическое путешествие, а другой остается дома. Во время полета они обмениваются сигналами и обнаруживают, что часы каждого из них отстают от показаний другого. Это, как было выяснено, не удивительно. Удивительно то, что по возвращении домой путешественник будет заметно моложе своего брата, остававшегося дома.
В том, что это будет так, нет никакого сомнения, так как наблюдалось отставание часов после их путешествия на спутнике по сравнению с часами, остававшимися на Земле. Парадокс заключается в том, что как улетевший, так и оставшийся близнецы двигались друг относительно друга с одинаковой по величине скоростью, что и вызывало одинаковое относительное отставание их часов во время полета. Почему же финал оказался не симметричным?
Полный ответ на этот вопрос дает Общая Теория Относительности, в которой рассматриваются явления в Неинерциальных системах. Но объяснить причину несимметричного финала можно, если заметить, что путешественник двигался не всегда с постоянной скоростью. Сначала он ускоренно удалялся, потом тормозил и ускорялся при повороте назад и, наконец, тормозил при приземлении. При этих неравномерных движениях законы изменения Пространства и Времени другие, чем при инерциальном движении. Все "выкрутасы" путешественника в космосе не влияют на рассмотрение явления в рамках СТО с точки зрения близнеца, оставшегося в Инерциальной Системе. Поэтому можно полагаться на его восприятие всего происшедшего. А он и обнаружит замедленное течение времени у путешественника. Если реальность единственная, то и путешественник должен обнаружить свое относительное омоложение.
Отметим, что основная разница в возрасте накапливается в течение инерциального движения путешественника, и чем длительное будет путешествие, тем больше будет разница в возрастах близнецов.
То, что время в движущейся ИС течет медленнее, чем в покоящейся ИС, ярко проявляется в опытах с элементарными частицами. Многие из них существуют от момента рождения до исчезновения определенное время, измеренное "собственными часами" частицы. Если частица рождается движущейся, то за время своей жизни она проходит некоторый путь и оставляет след, который и обнаруживается. Длина следа определяется произведением начальной скорости частицы на ее время жизни, измеренное по часам наблюдающего частицу. В опытах обнаруживается, что это время жизни частицы тем больше, чем больше ее скорость. Это значит, что движущаяся частица продолжает жить, когда ее неподвижный аналог уже давно исчез. С "точки зрения" самой частицы ее время жизни не зависит от ее скорости и всегда одинаково, но вот внешний мир частица “видит” сжимающимся с ростом скорости. Движение частицы даёт ей за время существования “видение” увеличения числа единиц масштаба внешнего мира.
Удлинение времени жизни движущейся частицы хочется объяснить не связью Времени с Движением, а тем, что Движение как-то влияет на внутреннюю “жизнь” частицы. Такое желание было у учёных на стадии освоения СТО. Вот пример отношения к рассмотренному явлению с позиций “здравого смысла”. На разъяснение известным ученым обсуждаемого явления последовал отклик: “Но, ведь должно же существовать что-то, известное разве, что одному Богу, что изменяет время жизни твоей частицы”. “Это что-то, известное только Богу, делает замедление времени не нужным” - согласился ученый.
Итак, оказалось, что у всех обитателей ИС есть собственные Пространство и Время, отличающиеся от других. И ни одна из ИС ничем особым не наделена. Законы природы, одинаковые во всех ИС, не должны зависеть от того, какая скорость у ИС. Однако пространственные и временные интервалы зависят от скорости Системы. Изменения интервалов (а это реальность, как убедились близнецы!) сказывается на измерениях разных величин. Значит, формулировки законов Природы (соотношения между величинами, измеряемыми в своей ИС) должны быть универсальными, образно говоря, абсолютно конвертируемыми до такой степени, что при переходе из одной ИС в другую никаких оговорок и исключений быть не должно. Такой универсализм формулировок законов природы называется принципом ковариантности.
Многие законы, сформулированные до создания СТО, оказались не ковариантными. Среди них основной закон механики – закон Ньютона. То, что этот закон не в ладах с принципами СТО, ясно уже из того, что в нем не ограничивается скорость движения. В правильной, ковариантной форме закона движения под действием сил скорость тел ограничивается, как было выяснено, из-за увеличения их массы. При приближении скорости тела к предельной скорости масса увеличивается неограниченно. Естественно хочется спросить: "А откуда масса прибывает?"
Чтобы ответить на это, надо задаться вопросом, подобно тому, как это делалось выше в отношении фундаментальных понятий. Так что же известно о Массе? Ответить на вопрос, что такое Масса, чрезвычайно трудно. Но известны три её признака: она - мера инерции, количество вещества и источник сил тяготения (гравитации). В законе механики Ньютона Масса проявляется только инертным свойством. В ковариантном законе движения Масса проявляется, помимо этого, и новым свойством - энергетическим.
То, что Масса - мера энергии, открыл Эйнштейн. Это открытие и выражено знаменитой формулой
E = m c2, (1)
в которой, как все знают, Е - энергия, m - масса, c - скорость света. Правда, далеко не все знают какие тут энергия и масса. Выяснить это можно, когда тело движется свободно со скоростью v . В этом случае E - вся энергия тела выражается через массу - количество вещества m0 следующим образом
E = moc2/( 1 - v2/c2)1/2. (2)
При не слишком больших скоростях, когда v << c, из (2) получается более простое выражение:
E = m0c2 + m0v2/2, (3)
в котором первое слагаемое не зависит от скорости движения и называется энергией покоя, а второе соответствует обычной кинетической энергии движения, где величина m0 проявляется как инертная масса.
Теперь можно пояснить, почему Масса тел увеличивается с ростом их скорости. Масса покоя - величина неизменная, а неограниченное увеличение энергии тела не может быть обеспечено ограниченным нарастанием его скорости. Поэтому увеличение массы тела можно трактовать как форму превращения энергии движения.
Кроме изменений инертной Массы, возможно изменение и массы покоя - количества вещества, что и реализуется в атомной энергетике. Производимая в атомных электростанциях энергия DЕ получается за счет уменьшения массы Dm0 ядерного горючего:
DЕ=Dm0c2 . (4)
Вообще говоря, выделение энергии веществом всегда сопровождается уменьшением его массы. Так, например, в химическом соединении продукт будет легче своих составляющих, правда, на неизмеримо малую величину, в соответствии с формулой (4). Известны процессы, в которых масса исчезает полностью, и при этом энергия выделяется в форме электромагнитного излучения. Такие процессы называют аннигиляцией вещества.
То, что все изменения энергии сопровождаются изменением массы вещества, кажется по меньшей мере странным. Ведь формы энергии бывают разные и никак, казалось бы, не связанные с массами. Более того, известны законы природы типа “где чего убудет, в другом - присовокупится”. В частности, есть закон сохранения количества вещества в химических реакциях, в которых и происходит выделение энергии. Так нет ли здесь противоречия? Нет. Законы сохранения массы при превращениях - неточные. Они нарушаются, но на практике это незаметно. Причина же универсальности связи энергии с массой, выраженной формулой (1), объясняется тем, что она отражает основную связь между Пространством, Временем и Движением.
Выводы, к которым приводит СТО, кажутся настолько “дикими”, что естественно спросить, а можно ли как-то проверить их правильность? Конечно, можно и нужно. За время существования СТО, которой скоро исполнится сто лет, она проверялась и будет проверяться многократно. Результаты этих проверок на сегодняшнее время таковы:
Независимость скорости света от скорости движения источника установлена с точностью до 0.01%.
Наблюдалось 10-кратное замедление течения времени.
В современных устройствах достигается почти миллионное увеличение инертной массы.
Правильность формулы, связывающей выход энергии с изменением массы, проверена с точностью 1%.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему