Синтетична теорія відносності. Загальна теорія відносності Чи послідовна вона? Чи відповідає вона фізичній реальності

Про вчення Альберта Ейнштейна, яке свідчить про відносність всього, що відбувається в цьому марному світі, не знає хіба що лінивий. Вже майже сто років тривають суперечки у світі науки, а й у світі практикуючих фізиків. Теорія відносності Ейнштейна, описана простими словамидосить доступна і не є таємницею для непосвячених.

Вконтакте

Декілька спільних питань

Враховуючи особливості теоретичного вчення великого Альберта, його постулати можуть бути неоднозначно розцінені різними течіями фізиків-теоретиків, досить високими науковими школами, а також прихильниками ірраціонального течії фізико-математичної школи.

Ще на початку минулого століття, коли стався сплеск наукової думки і на тлі суспільних змін стали виникати ті чи інші наукові течії, з'явилася теорія відносності всього, у чому живе людина. Як би не оцінювали наші сучасники цю ситуацію, все в реальному світі дійсно не статично, спеціальна теорія відносності Ейнштейна:

• Змінюються часи, змінюються погляди та ментальна думка суспільства на ті чи інші проблеми у соціальному плані;
• Суспільні підвалини та думка щодо вчення про ймовірність у різних державних системах та за особливих умов розвитку соціуму змінювалися з часом та під впливом інших об'єктивних механізмів.
• Яким чином формувалися погляди суспільства на проблеми соціального розвитку, таким самим було ставлення та думки про теорії Ейнштейна про час.

Важливо! Теорія гравітації Ейнштейнабула основою для системних суперечок серед найбільш солідних вчених, як на початку її розробки, так і під час її завершення. Про неї говорили, проходили численні диспути, вона ставала темою розмов у найвищих салонах різних країн.

Вчені обговорювали, воно було предметом розмов. Була навіть така гіпотеза, що вчення доступне для розуміння лише трьом людям із вченого світу. Коли ж настав час пояснення постулатів розпочали жерці найтаємничішої з наук – евклідової математики. Тоді було зроблено спробу побудувати її цифрову модель і такі ж математично вивірені наслідки її на світовий простір, то автор гіпотези зізнався, що дуже важко розуміти навіть те, що він створив. Отже, що є загальна теорія відносності,що досліджуєі яке прикладне застосування вона знайшла у світі?

Історія та коріння теорії

На сьогоднішній день у переважній більшості випадків досягнення великого Ейнштейна коротко називають повним запереченням того, що спочатку було непохитною константою. Саме це відкриття дозволило спростувати відому всім школярам як фізичний бін.

Більшість населення планети, так чи інакше, уважно і вдумливо чи поверхово, нехай навіть одного разу, зверталося до сторінок великої книги – Біблії.

Саме в ній можна прочитати про те, що стало справжнім підтвердженням суті вчення- того, над чим працював на початку минулого століття молодий американський вчений. Факти левітації інші досить звичні речі у старозавітній історії одного разу стали чудесами нового часу. Ефір - простір, в якому людина жила зовсім іншим життям. Особливості життя в ефірі вивчали багато світових знаменитостей у галузі природничих наук. І теорія гравітації Ейнштейнапідтвердила, що описане у давній книзі – це правда.

Роботи Хендріка Лоренца та Анрі Пуанкаре дозволили експериментальним шляхом виявити ті чи інші особливості ефіру. Насамперед це роботи зі створення математичних моделей світу. Основою було практичне підтвердження того, що під час руху матеріальних частинок в ефірному просторі відбувається їх скорочення щодо спрямування руху.

Праці цих великих учених дозволили створити фундамент головних постулатів вчення. Саме цей факт дає постійний матеріал для твердження, що праці Нобелівського лауреата та релятивістська теорія Альбертабули і залишаються плагіатом. Багато вчених і сьогодні стверджують, що багато постулатів було прийнято набагато раніше, наприклад:

• Поняття умовної одночасності подій;
• Принципи гіпотези про постійний біном та критерії швидкості світла.

Що зробити, щоб зрозуміти теорію відносності? Суть у минулому. Саме в працях Пуанкаре було висловлено гіпотезу щодо того, що великі швидкості законів механіки потребують переосмислення. Завдяки висловлюванням французького фізика вчений світ дізнався, наскільки щодо рух у проекції до теорії ефірного простору.

У статичній науці розглядався великий обсяг фізичних процесів для різних матеріальних об'єктів, що рухаються з . Постулати загальної концепції описують процеси, що відбуваються з об'єктами, що прискорюються, пояснюють існування частинок гравітонів і власне гравітації. Суть теорії відносностіу поясненні тих фактів, які раніше були нонсенсом для вчених. У разі необхідності опису особливостей руху та законів механіки, співвідношень простору та тимчасового континууму в умовах наближення до швидкості світла слід застосовувати постулати виключно вчення відносності.

Про теорію коротко і ясно

Чим настільки відрізняється вчення великого Альберта від цього, чим займалися фізики до нього? Раніше фізика була досить статичною наукою, яка розглядала принципи розвитку всіх процесів у природі у сфері системи «тут, сьогодні і зараз». Ейнштейн дозволив побачити все, що відбувається навколо, не тільки в тривимірному просторі, а й щодо різноманітних об'єктів і точок часу.

Увага!У 1905 році, коли Ейнштейн опублікував свою теорію відносності, вона дозволила пояснити і доступному варіанті інтерпретувати рух між різними інерційними системами розрахунків.

Її основні положення – співвідношення постійних швидкостей двох об'єктів, що рухаються щодо один одного замість прийняття одного з об'єктів, які можна сприймати як один із абсолютних факторів відліку.

Особливість вченняполягає в тому, що його можна розглядати щодо одного виняткового випадку. Головні фактори:

1. Прямолінійність напряму переміщення;
2. Рівномірність руху матеріального тіла.

При зміні напряму чи інших найпростіших параметрів, коли матеріальне тіло може прискорюватися чи згортати убік, закони статичного вчення відносності не дійсні. У цьому випадку відбувається набуття чинності загальними законами відносності, що може пояснити рух матеріальних тіл у загальній ситуації. Таким чином, Ейнштейн знайшов пояснення всім принципам взаємодії фізичних тіл між собою у просторі.

Принципи теорії відносності

Принципи вчення

Твердження про відносність протягом ста років піддається найжвавішим дискусіям. Більшість вчених розглядають різні варіанти застосування постулатів як застосування двох принципів фізики. І цей шлях має найбільшу популярність серед прикладної фізики. Основні постулати теорії відносності, цікаві факти, які сьогодні знайшли незаперечне підтвердження:

• Принцип відносності. Збереження співвідношення тіл за всіх законів фізики. Прийняття їх як інерційні системи відліку, які рухаються на постійних швидкостях відносно один одного.
• Постулат про швидкість світла. Вона залишається незмінною константою, за всіх ситуацій, незалежно від швидкості та співвідношення з джерелами світла.

Незважаючи на протиріччя між новим вченням та основними постулатами однієї з найточніших наук, що спираються на постійні статичні показники, нова гіпотеза привернула свіжий погляд на навколишній світ. Успіх вченому було забезпечено, що підтвердило вручення йому Нобелівської премії у галузі точних наук.

Що стало причиною такої приголомшливої ​​популярності, і як Ейнштейн відкрив свою теорію відносності? Тактика молодого вченого.

1. Досі вчені зі світовим ім'ям висували тезу, а потім проводили низку практичних досліджень. Якщо на певному моменті були отримані дані, що не підходять під загальну концепцію, вони визнавалися помилковими з підбиттям причин.
2. Молодий геній застосував кардинально іншу тактику, ставив практичні досліди, вони були серійними. Отримані результати, незважаючи на те, що могли якимось чином не вписуватися в концептуальний ряд, вишиковувалися в струнку теорію. І жодних «помилок» та «похибок», усі моменти гіпотези відносності, прикладиі результати спостережень чітко вписувалися революційне теоретичне вчення.
3. Майбутній нобелівський лауреат спростував необхідність вивчення загадкового ефіру, де поширюються хвилі світла. Переконаність у тому, що ефір існує, призвела до ряду значних помилок. Основний постулат - зміна швидкостей пучка світла щодо спостерігає за процесом в ефірному середовищі.

Теорія відносності для чайників

Теорія відносності - найпростіше пояснення

Висновок

Головним досягненням вченого є доказ гармонії та єдності таких величин, як простір та час. Фундаментальність зв'язку цих двох континуумів у складі трьох вимірів у поєднанні з тимчасовим виміром дозволило пізнати багато таємниць природи матеріального світу. Завдяки теорії гравітації Ейнштейнастало доступним вивчення глибин та інші досягнення сучасної науки, адже повністю можливості вчення не використані й на сьогодні.

На виступі 27 квітня 1900 року в королівському інституті Великобританії лорд Кельвін сказав: «Теоретична фізика є стрункою і закінченою будівлею. На ясному небі фізики є лише дві невеликі хмаринки – це сталість швидкості світла і крива інтенсивності випромінювання залежно від довжини хвилі. Я думаю, що ці два приватні питання будуть незабаром вирішені і фізикам XX століття вже нічого буде робити.» Лорд Кельвін виявився абсолютно правий із зазначенням ключових напрямів досліджень у фізиці, але не вірно оцінив їх важливість: теорія відносності, що народилися з них, і квантова теорія виявилися безкрайніми просторами для досліджень, що займають вчені уми ось уже протягом більше сотні років.

Так як не описувала гравітаційну взаємодію, Ейнштейн незабаром після її завершення розпочав розробку загальної версії цієї теорії, за створенням якої він провів 1907-1915 роки. Теорія була прекрасною у своїй простоті та узгодженості з природними явищами за винятком єдиного моменту: за часів складання теорії Ейнштейном ще не було відомо про розширення Всесвіту і навіть про існування інших галактик, тому вченими того часу вважалося, що Всесвіт існував нескінченно довго і був стаціонарним. При цьому із закону всесвітнього тяжіння Ньютона випливало, що нерухомі зірки мали колись просто бути стягнуті в одну точку.

Не знайшовши цього явища кращого пояснення, Ейнштейн увів у свої рівняння , яка чисельно компенсувала і дозволяла в такий спосіб стаціонарної Всесвіту існувати без порушення законів фізики. Надалі Ейнштейн став вважати введення космологічної постійної у свої рівняння своєю найбільшою помилкою, так як вона не була необхідна для теорії і нічим крім виглядає на той момент стаціонарного Всесвіту не підтверджувалося. А в 1965 році було виявлено реліктове випромінювання, що означало, що Всесвіт мав початок і постійний в рівняннях Ейнштейна виявився зовсім не потрібним. Проте космологічна стала все-таки була знайдена в 1998 році: за отриманими телескопом «Хаббл» даними, далекі галактики не гальмували свій розліт внаслідок тяжіння гравітацією, а навіть прискорювали свій розліт.

Основи теорії

Окрім основних постулатів спеціальної теорії відносності, тут додалося й нове: механіка Ньютона давала чисельну оцінку гравітаційної взаємодії матеріальних тіл, але пояснювала фізику цього процесу. Ейнштейну ж вдалося описати це за допомогою викривлення масивним тілом 4-мірного простору-часу: тіло створює навколо себе обурення, в результаті якого оточуючі тіла починають рухатися геодезичними лініями (прикладами таких ліній є лінії земної широти і довготи, які для внутрішнього спостерігача здаються прямими лініями , але насправді трохи викривлені). Так само відкланяються і промені світла, що спотворює видиму картину за масивним об'єктом. При вдалому збігу положень і мас об'єктів це призводить (коли викривлення простору-часу виступає в ролі величезної лінзи, що робить джерело далекого світла набагато яскравіше). Якщо параметри збігаються не ідеально – це може призвести до утворення «хреста Ейнштейна» або «кола Ейнштейна» на астрономічних знімках далеких об'єктів.

Серед прогнозів теорії також було гравітаційне уповільнення часу, (яке при наближенні до потужного об'єкту діяло на тіло так само, як і уповільнення часу внаслідок прискорення), гравітаційне (коли промінь світла, випущений потужним тілом, йде в червону частину діапазону внаслідок втрати їм енергії на роботу виходу з «гравітаційного колодязя»), а також гравітаційні хвилі (обурення простору-часу, який виробляє будь-яке тіло, що має масу в процесі свого руху).

Статус теорії

Перше підтвердження загальної теорії відносності було отримано самим Ейнштейном того ж 1915 року, коли вона й була опублікована: теорія з абсолютною точністю описувала усунення перигелія Меркурія, яке раніше ніяк не могли пояснити за допомогою ньютонівської механіки. З того моменту було відкрито безліч інших явищ, які передбачалися теорією, але на момент її публікації були надто слабкі, щоб їх можна було засікти. Останнім таким відкриттям наразі стало відкриття гравітаційних хвиль 14 вересня 2015 року.

«ЗС» №7-11/1939

Лев Ландау

Цього року виповнюється 60 років найбільшому фізику нашого часу – Альберту Ейнштейну. Ейнштейн відомий створеною ним теорією відносності, що викликала справжню революцію у науці. У наших уявленнях про навколишній світ принцип відносності, висунутий Ейнштейном ще 1905 р., зробив такий самий величезний переворот, який свого часу справило вчення Коперника.
До Коперника люди думали, що вони живуть у абсолютно покійному світі, на нерухомій Землі – центрі всесвіту. Коперник перекинув це вікове забобон, довівши, що насправді Земля - ​​лише крихітна піщинка в неосяжному світі, що знаходиться в безперервному русі. Це було чотириста років тому. А тепер Ейнштейн показав, що така звична і, здавалося б, зовсім ясна для нас річ як час, також має зовсім інші властивості, ніж ті, які ми йому зазвичай приписуємо.

Для того, щоб повністю розібратися в цій досить складній теорії, потрібні великі знання з математики та фізики. Проте загальне уявлення про неї може і повинен мати кожна культурна людина. Таке загальне уявлення про принцип відносності Ейнштейна ми спробуємо дати в нашій статті, яка друкуватиметься частинами у трьох номерах «Знання - сила».

В обробці цієї статті для юного читача взяли участь: Е.Зелікович, І.Нечаєв та О.Писаржевський.

Відносність, до якої ми звикли

Чи будь-яке твердження має сенс?

Очевидно, що ні. Наприклад, якщо ви скажете "бі-ба-бу", то ніхто не знайде в цьому вигуку ніякого сенсу. Але навіть цілком осмислені слова, поєднані за всіма правилами граматики, теж можуть дати цілковиту нісенітницю. Так, фразі «ліричний сир сміється» важко приписати будь-який сенс.

Однак не всі нісенітниці такі очевидні: дуже часто твердження, на перший погляд цілком розумне, виявляється все ж таки по суті безглуздим. Скажіть, наприклад, на якому боці Пушкінської площі в Москві стоїть пам'ятник Пушкіну: на правій чи на лівій?

Відповісти це питання неможливо. Якщо йти від Червоної площі до площі Маяковського, то пам'ятник буде ліворуч, а якщо йти у зворотному напрямку, він виявиться праворуч. Зрозуміло, що без зазначення напрямку, щодо якого ми вважаємо «право» та «ліво», ці поняття не мають жодного сенсу.

Так само не можна сказати, що зараз на земній кулі: день чи ніч? Відповідь залежить від того, де це питання задається. Коли в Москві день, у Чикаго – ніч. Отже, твердження «зараз день чи ніч» не має жодного сенсу, якщо не зазначено, до якого місця земної кулі воно належить. Такі поняття називатимемо «відносними».

На двох зображених тут малюнках показано пастух та корова. На одному малюнку пастух більше корови, а на іншому корова більше пастуха. Але кожному ясно, що суперечності тут немає. Малюнки зроблені спостерігачами, що знаходилися в різних місцях: перший стояв ближче до корови, другий - ближче до пастуха. У картинах важливими є не розміри предметів, а той кут, під яким ми бачили б ці предмети насправді.

Зрозуміло, що «кутова величина» предмета відносна: вона залежить від відстані між ними та предметом. Чим ближче предмет, тим його кутова величина більше і тим більшим він виглядає, а чим далі предмет, тим його кутова величина менша і тим меншим він здається.

Абсолютне виявилося відносним

Не завжди, однак, відносність наших понять така очевидна, як у наведених прикладах.

Ми часто говоримо «нагорі» та «внизу». Абсолютні це поняття, чи відносні? У колишні часи, коли ще не було відомо, що Земля куляста, і її уявляли собі у вигляді плоского млинця, вважалося зрозумілим, що напрями «верху» і «низу» у всьому світі одні й ті ж.

Але виявилося, що Земля куляста, і виявилося, що напрямки вертикалі в різних точках земної поверхні різні.

Все це не викликає у нас жодних сумнівів. Тим часом історія показує, що зрозуміти відносність «верха» та «низу» було не так легко. Люди дуже схильні приписувати абсолютне значення поняттям, відносність яких не зрозуміла з повсякденного досвіду. Згадаймо сміховинне «заперечення» проти кулястості Землі, яке мало великий успіх у середні віки: на «іншому боці» Землі, мовляв, дерева мали б рости вниз, дощові краплі — падати вгору, а люди ходили б вниз головою.

Якщо вважати напрямок вертикалі в Москві абсолютним, то вийде, що в Чикаго люди ходять вгору ногами. А з абсолютної точки зору людей, які живуть у Чикаго, москвичі ходять ногами. Але насправді вертикальний напрямок не є абсолютно, а відносно. І всюди на Землі, хоч вона і куляста, люди ходять тільки вгору головою.

І рух щодо

Уявімо двох мандрівниць, які їдуть в експресі Москва - Владивосток. Вони промовляються зустрічатися щодня в тому самому місці вагона-ресторану і писати своїм чоловікам листи. Мандрівниці впевнені, що вони виконують умову, що вони щодня є в те ж місце, де були вчора. Однак їхні чоловіки не погодяться з цим: вони рішуче стверджуватимуть, що мандрівниці зустрічалися щодня в новому місці, віддаленому від попереднього на тисячу кілометрів.

Хто ж має рацію: мандрівниці чи їхні чоловіки?

У нас немає підстав віддати перевагу тим чи іншим: поняття «одне й те саме місце» – відносно. Щодо поїзда мандрівниці справді зустрічалися весь час «там же», а щодо земної поверхні місце їхньої зустрічі постійно змінювалося.

Отже, становище у просторі - поняття відносне. Говорячи про положення тіла, ми завжди маємо на увазі його положення щодо інших тіл. Тому, якби нам запропонували вказати, де знаходиться таке тіло, не згадуючи у відповіді про інші тіла, ми мали б визнати таку вимогу абсолютно нездійсненною.

Звідси випливає, що щодо переміщення, чи рух, тел. І коли ми говоримо «тіло рухається», то це означає лише те, що воно змінює своє становище щодо якихось інших тіл.

Уявімо, що ми спостерігаємо з різних пунктів рух тіла. Умовимося називати такі пункти "лабораторіями". Нашими уявними лабораторіями може бути все, що завгодно у світі: будинки, міста, поїзди, літаки, Земля, інші планети, Сонце і навіть зірки.

Якою ж здасться нам траєкторія, тобто шлях тіла, що рухається?

Все залежить від того, з якої лабораторії ми її спостерігаємо. Припустимо, що льотчик викидає з літака вантаж. З погляду льотчика вантаж летить вниз вертикально по прямій, а з погляду спостерігача на землі вантаж, що падає, описує криву лінію - параболу. По якій траєкторії вантаж рухається насправді?

Це питання має так само мало сенсу, як питання про те, яка фотографія людини «справжня», - та, на якій вона знята спереду, або та, на якій вона знята ззаду?

Геометрична форма кривої, якою рухається тіло, має такий самий відносний характер, як і фотографію людини. Фотографуючи людину спереду та ззаду, ми отримаємо різні знімки, і кожен із них буде цілком правильний. Так само, спостерігаючи за рухом будь-якого тіла з різних лабораторій, ми бачимо різні траєкторії, і всі ці траєкторії – «справжні».

Але чи всі вони будуть для нас рівноцінними? Чи не можна знайти такий пункт спостереження, таку лабораторію, звідки ми найкраще могли б вивчати закони, які керують рухом тіла?

Ми тільки-но порівняли траєкторії тіла, що рухається з фотознімками людини - і ті й інші можуть бути найрізноманітнішими, - все залежить від того, з якого пункту ви спостерігаєте рух тіла або робите знімок. Але ви знаєте, що у фотографії не всі точки зору рівноцінні. Наприклад, якщо вам потрібен знімок для посвідчення, то ви, звичайно, забажаєте бути знятим з обличчя, а не ззаду. Так само і в механіці, тобто при вивченні законів руху тіл, ми повинні вибрати з усіх можливих пунктів спостереження найбільш підходящий.

У пошуках спокою

Ми знаємо, що на рух тіл впливають зовнішні впливи, які ми називаємо силами. Але ми можемо собі уявити тіло, яке вільне від впливу будь-яких сил. Умовимося раз і назавжди вважати, що тіло, на яке не діють жодні сили, перебуває у стані спокою. Тепер, ввівши поняття спокою, ми ніби вже отримуємо деяку тверду опору щодо руху тіл. Насправді це тіло, на яке не діють жодні сили і яке ми домовилися вважати тим, хто покоюється, може нам служити як би орієнтиром, «путівниковою зіркою» при дослідженні руху всіх інших тіл.

Уявимо, що ми прибрали якесь тіло так далеко від інших тіл, що на нього вже не діятимуть жодні сили. І тоді ми зможемо встановити, як повинні протікати на такому тілі фізичні явища. Інакше кажучи, ми можемо знайти закони механіки, що панують у цій уявній лабораторії, що «спокоїться». А порівнюючи їх з тим, що ми спостерігаємо в інших реальних лабораторіях, ми зможемо вже судити про справжні властивості руху в усіх випадках.

Отже, здавалося б, все чудово влаштовується: ми знайшли опорний пункт – «спокій», хоч і умовний, і тепер рух для нас втратив свою відносність.

Однак насправді і цей примарний з таким трудом досягнутий «спокій» не буде абсолютним.

Уявіть собі спостерігачів, що живуть на самотній кулі, загубленій у безмежних просторах всесвіту. Вони не відчувають на собі впливу жодних сторонніх сил і, отже, повинні бути переконані в тому, що куля, на якій вони живуть, перебуває в цілковитій нерухомості, абсолютному, незмінному спокої.

Раптом вони помічають вдалині іншу таку ж кулю, на якій знаходяться такі ж спостерігачі. З величезною швидкістю мчить цей другий шар, прямолінійно і рівномірно, назустріч першому. Спостерігачі на першій кулі не сумніваються в тому, що вони стоять на місці, а рухається лише друга куля. Але мешканці цієї другої кулі також вірять у свою нерухомість і твердо впевнені в тому, що це перша «чужа» куля рухається їм назустріч.

Хто ж із них правий? Суперечка з цього приводу не має жодного сенсу, оскільки стан прямолінійного та рівномірного руху неможливо відрізнити від стану спокою.

Щоб переконатися в цьому, нам з вами не треба навіть забиратися у нескінченні глибини всесвіту. Сядьте в річковий пароплав, що стоїть біля пристані, запріться в каюті і гарненько завісіть вікна. За таких умов ви ніколи не виявите, чи стоїте ви на місці, чи рухаєтеся прямолінійно та рівномірно. Всі тіла в каюті будуть поводитися в обох випадках абсолютно однаково: поверхня води в склянці залишиться постійно спокійною; м'яч, підкинутий вертикально вгору, так само впаде вертикально вниз; маятник годинника гойдатиметься так само, як на стіні вашої квартири.

Ваш пароплав може йти з будь-якою швидкістю, але на ньому пануватимуть такі самі закони руху, як і на абсолютно нерухомому пароплаві. Тільки в момент уповільнення ходу або при прискоренні його ви можете виявити його рух; коли він йде прямолінійно і рівномірно, все протікає у ньому як і, як і нерухомому судні.

Таким чином, ми не знайшли ніде абсолютного спокою, а виявили, що у світі може існувати нескінченно багато «покоїв», що рухаються один до одного рівномірно і прямолінійно. Тому коли ми говоримо про рух якогось тіла, то завжди треба вказати, щодо якого саме «спокою» воно рухається. Це становище називається у механіці «законом відносності руху». Воно було висунуто ще триста років тому Галілеєм.

Але якщо рух і спокій відносні, то швидкість, очевидно, має бути відносною. Так воно і є насправді. Допустимо, наприклад, що ви біжите по палубі пароплава зі швидкістю 5 метрів за секунду. Якщо пароплав проходить у тому ж напрямку 10 метрів за секунду, то щодо берега ваша швидкість дорівнюватиме вже 15 метрів за секунду.

Тому твердження: «тіло рухається з такою швидкістю», без вказівки, щодо чого швидкість виміряна, не має сенсу. Визначаючи швидкість тіла, що рухається з різних пунктів, ми повинні отримувати різні результати.

Все те, про що ми й досі говорили, було відомо задовго до робіт Ейнштейна. Відносність руху, спокою та швидкості була встановлена ​​ще великими творцями механіки – Галілеєм та Ньютоном. Відкриті ним закони руху лягли основою фізики і протягом майже трьох століть багато сприяли розвитку всіх природничих наук. Численні нові факти та закони відкривалися дослідниками, і всі вони ще й ще раз підтверджували правильність поглядів Галілея та Ньютона. Підтверджувалися ці погляди і в практичній механіці - при конструюванні та експлуатації різноманітних машин і апаратів.

Так тривало до кінця XIX століття, коли були виявлені нові явища, які опинилися у рішучому протиріччі із законами класичної механіки.

У 1881 році американський фізик Майклсон зробив серію дослідів із вимірювання швидкості світла. Несподіваний результат цих дослідів вніс сум'яття до лав фізиків; він був настільки вражаючий і загадковий, що поставив у глухий кут найбільших учених світу.

Чудові властивості світла

Може, вам доводилося спостерігати таке цікаве явище.

Десь вдалині, в полі, на полотні залізниці чи на майданчику будівництва б'є молот. Ви бачите, як важко він падає на ковадло або на сталеву рейку. Однак звуку від удару зовсім не чути. Здається, що молот опустився на щось м'яке. Але він знову піднімається. І в момент, коли він вже знаходиться досить високо у повітрі, ви чуєте віддалений різкий стукіт.

Неважко зрозуміти чому це відбувається. За звичайних умов звук поширюється у повітрі зі швидкістю близько 340 метрів на секунду, тому удар молота ми чуємо не в той момент, коли він відбувається, а лише після того, як звук від нього встигає дійти нашого вуха.

Ось інший, разючий приклад. Блискавка і грім відбуваються одночасно, але часто здається, що блискавки блищать безшумно, оскільки гуркіт грому досягає нашого вуха лише за кілька секунд. Якщо ми чуємо їх із запізненням, наприклад, за 10 секунд, то це означає, що блискавка віддалена від нас на 340 х 10 = 3400 метрів, або 3,4 кілометри.

В обох випадках ми говоримо про два моменти: про те, коли якась подія сталася насправді, і про момент, коли відлуння цієї події досягло нашого вуха. Але звідки ми знаємо, коли саме подія сталася насправді?

Ми бачимо це: бачимо, як опускається молот, як блискавка блискавка. При цьому ми припускаємо, що подія дійсно відбувається в той самий момент, коли ми її бачимо. Але чи це так насправді?

Ні, не так. Адже ми не сприймаємо події безпосередньо. У явищах, які спостерігаємо з допомогою зору, бере участь світло. А світло поширюється у просторі не миттєво: як і в звуку, у променів світла йде час на подолання відстані.

У порожнечі світло поширюється зі швидкістю близько 300 тисяч кілометрів на секунду. Це означає: якщо на відстані 300 тисяч кілометрів від вас спалахнуло світло, ви можете помітити його спалах не відразу, а лише через секунду.

В одну секунду промені світла встигли б сім разів обігнути земну кулю екватором. У порівнянні з такою колосальною швидкістю земні відстані здаються незначними, тому практично можна вважати, що всі явища, що відбуваються на Землі, ми бачимо в той же момент, коли вони відбуваються.

Неймовірно величезна швидкість світла може здатися дивовижною. Набагато дивніше, однак, інше: те, що швидкість світла відрізняється вражаючою сталістю. Подивимося, у чому ця сталість полягає.

Відомо, що рух тіл можна штучно уповільнювати та прискорювати. Якщо, наприклад, поставити на шляху польоту кулі ящик із піском, то в ящику куля втратить частину своєї швидкості. Втрачена швидкість не відновиться: вийшовши з шухляди, куля полетить далі вже не з колишньої, а зі зменшеною швидкістю.

Інакше поводяться промені світла. У повітрі вони поширюються повільніше, ніж у порожнечі, у воді – повільніше, ніж у повітрі, а у склі – ще повільніше. Однак, вийшовши з будь-якої речовини (звичайно, прозорої) у порожнечу, світло продовжує поширюватися зі своєю колишньою швидкістю – 300 тисяч кілометрів на секунду. При цьому швидкість світла не залежить від властивостей його джерела: вона однакова у променів і Сонця, і прожектора, і свічки. Крім того, байдуже, чи рухається саме джерело світла, чи ні - на швидкості світла це ніяк не відбивається.

Щоб повністю усвідомити сенс цього факту, порівняємо ще раз поширення світла з рухом звичайних тіл. Уявіть, що ви пускаєте на вулиці з брандспойту струмінь води зі швидкістю 5 метрів за секунду. Це означає, що кожна частка води проходить щодо вулиці 5 метрів за секунду. Але якщо помістити брандспойт на автомобіль, що проходить у напрямку струменя 10 метрів в секунду, то швидкість струменя щодо вулиці дорівнюватиме вже 15 метрів в секунду: часткам води повідомляється швидкість не тільки брандспойтом, але і автомобілем, що рухається, який захоплює брандспойт разом зі струменем.

Порівнюючи джерело світла з брандспойтом, яке промені - зі струменем води, ми побачимо істотне відмінність. Для променів світла байдуже, з якого джерела вони потрапили в порожнечу і що відбувалося з ними до того, як вони увійшли до порожнього простору. Раз вони знаходяться в ньому, швидкість їх поширення дорівнює одній і тій же величині - 300 тисяч кілометрів на секунду, і незалежно від того, чи рухається джерело світла, чи ні.

Подивимося, як ці особливі властивості світла узгоджуються із законом відносності руху, про який йшлося у першій частині статті. Для цього спробуємо вирішити задачу на складання і віднімання швидкостей, причому для простоти приймемо, що всі уявлювані нами явища відбуваються в порожнечі, де швидкість світла дорівнює 300 тисяч кілометрів.

Нехай на пароплаві, що рухається, в самій середині його, міститься джерело світла, а на кожному з кінців пароплава - по спостерігачеві. Обидва вони вимірюють швидкість поширення світла. Якими будуть результати їхньої роботи?

Так як промені поширюються на всі боки, а обидва спостерігачі рухаються разом з пароплавом в один бік, то вийде така картина: спостерігач, що знаходиться на задньому кінці пароплава, рухається назустріч променям, а передній весь час віддаляється від них.

Тому перший спостерігач повинен знайти, що швидкість світла дорівнює 300 тисяч кілометрів плюс швидкість пароплава, а другий - 300 тисяч кілометрів мінус швидкість пароплава. І якщо ми уявимо на хвилину, що пароплав проходить за секунду жахливу відстань у 200 тисяч кілометрів, то швидкість світла, знайдена першим спостерігачем, буде 500 тисяч кілометрів, а другим - 100 тисяч кілометрів за секунду. На нерухомому пароплаві обидва спостерігачі отримали б один і той же результат - 300 тисяч кілометрів на секунду.

Таким чином, з погляду спостерігачів, на нашому пароплаві, що рухається, світло начебто поширюється в одну сторону в 1 2/3 рази швидше, а в іншу - втричі повільніше, ніж на тому, що спочиває. Зробивши нескладні арифметичні дії, вони зможуть встановити абсолютну швидкість пароплава.

Так само ми можемо встановити абсолютну швидкість будь-якого іншого тіла, що рухається: для цього достатньо помістити на нього яке-небудь джерело світла і виміряти з різних точок тіла швидкість поширення світлових променів.

Інакше кажучи, ми несподівано виявились спроможними визначити швидкість, а отже, і рух тіла безвідносно від усіх інших тіл. Але якщо є абсолютна швидкість, то існує і єдиний, абсолютний спокій, а саме: будь-яка лабораторія, в якій спостерігачі, вимірюючи швидкість світла в будь-яких напрямках, отримують одну й ту саму величину - 300 тисяч кілометрів на секунду, і буде абсолютно спокійною.

Неважко бачити, що все це рішуче суперечить тим висновкам, яких ми дійшли в попередньому номері журналу. Насправді: ми говорили про те, що на тілі, що рухається прямолінійно рівномірно, все протікає так, як на нерухомому. Тому, чи будемо ми, наприклад, стріляти на пароплаві у напрямку його руху або проти руху, швидкість кулі щодо пароплава залишиться однією і тією ж і дорівнюватиме швидкості на нерухомому пароплаві. Разом з тим ми переконалися, що рух, швидкість та спокій – поняття відносні: абсолютних рухів, швидкості та спокою не існує. А тепер раптом виявляється, що спостереження над властивостями світла перекидають усі ці висновки та суперечать відкритому Галілеєм закону природи – закону відносності руху.

Адже це один із її основних законів: він панує у всьому світі; справедливість його підтверджувалася на досвіді незліченну кількість разів, підтверджується повсюдно і щохвилини досі; якби він перестав раптово бути справедливим, неймовірна сум'яття охопила б всесвіт. А от світло не тільки не підкоряється йому, а й навіть спростовує його!

Досвід Майклсона

Що робити з цим протиріччям? Перш ніж висловлювати ті чи інші міркування з цього приводу, звернемо увагу на таку обставину: те, що властивості світла суперечать закону відносності руху, ми встановили виключно шляхом міркувань. Щоправда, це були дуже переконливі міркування. Але, обмежуючись одними міркуваннями, ми уподібнилися б стародавнім філософам, які намагалися відкрити закони природи не за допомогою досвіду та спостереження, а лише виходячи з одних міркувань. При цьому неминуче виникає небезпека, що створена таким чином картина світу за всіх своїх переваг виявиться дуже мало схожою на дійсний світ, що оточує нас.

Верховним суддею будь-якої фізичної теорії завжди є досвід, а тому, не обмежуючись міркуваннями про те, як має поширюватися світло на тілі, що рухається, слід звернутися до досвідів, які покажуть, як він у цих умовах поширюється насправді.

Слід, однак, мати на увазі, що постановка таких дослідів скрутна з дуже простої причини: неможливо знайти на практиці таке тіло, яке рухалося б зі швидкістю, порівнянною з колосальною швидкістю світла. Адже такого пароплава, яким ми користувалися у нашій міркуванні, звичайно, не існує і не може існувати.

Щоб зуміти визначити незначну зміну швидкості світла на доступних нам, порівняно повільно рухомих тілах, треба було створити вимірювальні прилади винятково високої точності. І лише тоді, коли такі прилади вдалося виготовити, можна було розпочати з'ясування протиріччя між властивостями світла та законом відносності руху.

Такий досвід був зроблений у 1881 році одним із найбільших експериментаторів нового часу, американським фізиком Майклсоном.

Як рухоме тіло Майклсон використовував ... земну кулю. Справді, Земля - ​​тіло, що свідомо рухається: вона обертається навколо Сонця і до того ж з досить "солідною" для наших умов швидкістю - 30 кілометрів на секунду. Тому, вивчаючи поширення світла на Землі, ми фактично вивчаємо поширення світла в лабораторії, що рухається.

Майклсон з дуже високою точністю виміряв швидкість світла на Землі в різних напрямках, тобто він практично здійснив те, що ми подумки проробили з вами на уявному пароплаві, що рухається. Щоб вловити мізерну різницю в 30 кілометрів у порівнянні з величезним числом в 300 тисяч кілометрів, Майклсону довелося застосувати дуже складну експериментальну техніку і виявити всю свою винахідливість. Точність досвіду була така велика, що Майклсон мав би можливість виявити і набагато меншу різницю в швидкостях, ніж ту, яку він хотів виявити.

З вогню та в полум'я

Результат досвіду був начебто заздалегідь очевидний. Знаючи властивості світла, можна було передбачити, що швидкість світла, виміряна у різних напрямках, виявиться різною. Але, можливо, ви думаєте, що результат досвіду насправді виявився таким?

Нічого подібного! Експеримент Майклсона дав несподівані результати. Протягом ряду років його багато разів повторювали в різних умовах, але він незмінно приводив до одного і того ж разючого висновку.

На Землі, що явно рухається, швидкість світла, виміряна в будь-яких напрямках, виявляється абсолютно однаковою.

Значить, світло не є винятком. Він підпорядковується тому ж закону, що куля на пароплаві, що рухається, - закону відносності Галілея. Виявити "абсолютний" рух Землі так і не вдалося. Його немає, як і має бути відповідно до закону відносності.

Неприємна суперечність, з якою наука зіткнулася, було вирішено. Зате виникли нові протиріччя! Фізики потрапили з вогню та в полум'я.

Щоб усвідомити нові протиріччя, до яких привів досвід Майклсона, переглянемо наші дослідження по порядку.

Спочатку ми встановили, що абсолютного руху та спокою не існує; Про це говорить закон відносності Галілея. Потім з'ясувалося, що особливі властивості світла суперечать закону відносності. Звідси випливало, що абсолютний рух і спокій все ж таки існують. Щоб перевірити це, Майклсон зробив експеримент. Експеримент показав протилежне: ніякої суперечності немає – і світло підпорядковується закону відносності. Отже, абсолютного руху та спокою знову не існує. З іншого боку, висновки з досвіду Майклсона, очевидно, застосовні для будь-якого тіла, що рухається, а не тільки для Землі; Отже, швидкість світла однакова в усіх лабораторіях, незалежно від своїх руху, і, отже, швидкість світла - величина все-таки не відносна, а абсолютна.

Вийшло зачароване коло. Великі фізики всього світу роки ламали собі над ним голову. Пропонувалися різні теорії, аж до найнеймовірніших і найфантастичніших. Але нічого не допомагало: кожне нове припущення відразу викликало нові протиріччя. Вчений світ стояв перед однією з найбільших загадок.

Найзагадковішим і дивним у всьому було те, що наука тут мала справу з цілком ясними, твердо встановленими фактами: із законом відносності, відомими властивостями світла та досвідом Майклсона. А приводили вони, здавалося б, до цілковитої безглуздості.

Протиріччя істин... Але істини не можуть суперечити один одному, оскільки істина може бути лише одна. Отже, у нашому розумінні фактів має бути помилка. Але де? У чому вона полягає?

Протягом 24 років - з 1881 р. до 1905 р. - не знаходили відповіді на ці питання. Але в 1905 найбільший фізик сучасності Альберт Ейнштейн дав загадці геніальне пояснення. Що з'явилося з зовсім несподіваного боку, воно справило на фізиків враження бомби, що розірвалася.

Пояснення Ейнштейна настільки не схоже на всі поняття, до яких людство звикло протягом тисячоліть, що воно звучить винятково неймовірно. Однак, незважаючи на це, воно виявилося безперечно правильним: ось уже 34 роки, як лабораторні досліди та спостереження над різними фізичними явищами у світі дедалі більше підтверджують його справедливість.

Коли відчиняються двері

Щоб зрозуміти пояснення Ейнштейна, необхідно познайомитися спочатку з одним наслідком досвіду Майклсона. Розглянемо його відразу на прикладі. Скористаємося ще раз фантастичним пароплавом.

Уявимо пароплав довжиною 5400 тисяч кілометрів. Нехай він рухається прямолінійно і рівномірно з неймовірною швидкістю 240 тисяч кілометрів на секунду. Якоїсь миті в середині пароплава запалюється лампочка. На носі та на кормі пароплава є двері. Влаштовані вони так, що в момент, коли на них падає світло від лампочки, вони автоматично відкриваються. Ось лампочка спалахнула. Коли ж саме відчиняться двері?

Щоб відповісти на це питання, згадаймо результати досвіду Майклсона. Досвід Майклсона показав, що щодо спостерігачів на Землі, що рухається, світло поширюється по всіх напрямках з однаковою швидкістю в 300 тисяч кілометрів на секунду. Те ж саме, природно, відбудеться і на пароплаві, що рухається. Але відстань від лампочки до кожного з кінців пароплава дорівнює 2700000 кілометрів, а 2700000: 300000 = 9. Значить, до кожної двері світло від лампочки дійде через 9 секунд. Таким чином, обидві двері відчиняться одночасно.

Так представиться справа спостерігачеві на пароплаві. А що побачать люди на пристані, повз яку рухається пароплав?

Так як швидкість світла не залежить від руху джерела світла, то і щодо пристані вона дорівнює тим же 300 тисяч кілометрів в секунду, незважаючи на те що джерело світла знаходиться на пароплаві, що рухається. Але з погляду спостерігача на пристані двері на кормі пароплава рухаються назустріч променю світла зі швидкістю пароплава. Коли ж двері зустрінуться з променем?

Ми маємо тут справу із завданням, подібним до завдання про двох мандрівників, які їдуть назустріч один одному. Щоб знайти час зустрічі, треба відстань між мандрівниками поділити на суму їхньої швидкості. Вчинимо і тут так само. Відстань між лампочкою та дверима становить 2700 тисяч кілометрів, швидкість дверей (тобто пароплава) дорівнює 240 тисяч кілометрів на секунду, а швидкість світла – 300 тисяч кілометрів на секунду.

Отже, задні двері відчиняться через

2700.000/(300000 + 240000) = 5 секунд

Після того, як лампочка засвітилася. А передня?

Передні двері, з погляду спостерігача на пристані, променю світла доводиться наздоганяти, оскільки вони рухаються з пароплавом у той самий бік, як і промінь світла. Тому тут ми маємо завдання про мандрівників, з яких один наздоганяє іншого. Відстань ділитимемо вже на різницю швидкостей:

2700.000 / (300000 - 240000) = 45 секунд

Отже, перші двері відчиняться через 5 секунд після того, як запалилася лампочка, а другі - через 45 секунд. Відтак двері відчиняться не одночасно. Ось який представиться картина людям на пристані! Картина - найдивовижніша з усього того, про що й досі йшлося.

Виходить, що одні й ті самі події - відкриття передніх і задніх дверей - виявляться для людей на пароплаві одночасними, а для людей на пристані - неодночасними, а розділеними проміжком часу в 40 секунд.

Чи не звучить це досконалим безглуздям? Чи не схоже на абсурдне твердження з анекдоту - що довжина крокодила від хвоста до голови 2 метри, а від голови до хвоста 1 метр?

І, зауважте, людям на пристані не здасться, що двері відчинилися не одночасно: для них це насправді станеться одночасно. Адже ми вирахували час, коли відчинилися кожні з дверей. При цьому ми знайшли, що другі двері дійсно відчинилися на 40 секунд пізніше за перші.

Однак пасажири пароплава так само правильно встановили, що обидві двері відчинилися одночасно. І це було показано арифметично. Що ж виходить? Арифметика проти арифметики?

Ні, арифметика тут не винна. Всі протиріччя, з якими ми тут зіткнулися, лежать у наших неправильних уявленнях про час: час виявився зовсім не таким, яким людство вважало його досі.

Ейнштейн переглянув ці старі тисячолітні поняття. При цьому він зробив велике відкриття, завдяки якому його ім'я стало безсмертним.

Час щодо

У попередньому номері ми показали, які незвичайні висновки мали зробити фізики з досвіду Майклсона. Ми розглянули приклад з уявним пароплавом, на якому за світловим сигналом відчиняються два двері, і встановили разючий факт: з погляду спостерігачів на пароплаві двері відкриваються в той самий момент, а з погляду спостерігачів на пристані - в різні моменти.

Те, до чого людина не звикла, здається їй неймовірною. Випадок з дверима на пароплаві здається зовсім неймовірним тому, що ми ніколи не рухалися зі швидкістю, що навіть віддалено наближається до нечуваного числа 240 тисяч кілометрів на секунду. Але треба врахувати, що явища, що відбуваються при таких швидкостях, можуть відрізнятися від тих, до яких ми звикли в повсякденному житті.

Зрозуміло, насправді пароплавів, що пересуваються зі швидкостями, близькими до швидкості світла, немає. І насправді ніхто ніколи не спостерігав такого випадку з дверима, як описано в нашому прикладі. Але подібні явища завдяки сучасній високорозвиненій експериментальній техніці безумовно виявити можна. Нагадаємо, що приклад з дверима, що відкриваються, побудований не на абстрактних міркуваннях, а виключно на твердо встановлених фактах, отриманих шляхом досвіду: досвіду Майклсона і багаторічних спостережень над властивостями світла.

Отже, саме досвід привів нас до безперечного висновку, що поняття одночасності двох подій не є абсолютно. Насамперед ми вважали, що якщо дві події відбулися в будь-якій лабораторії одночасно, то і для будь-якої іншої лабораторії вони будуть одночасними. Тепер же ми з'ясували, що це справедливо лише для лабораторій, що лежать у відношенні один до одного. А якщо ні, то події, одночасні для однієї лабораторії, відбудуться для іншої в різний час.

Звідси випливає, що поняття одночасності – поняття відносне. Воно набуває сенсу лише за умови, як рухається лабораторія, з якої події спостерігаються.

На початку статті ми говорили про двох мандрівниць, які щодня з'являлися у вагон-ресторан експресу. Мандрівниці були впевнені, що вони зустрічаються весь час в тому самому місці. Чоловіки їх стверджували, що вони зустрічалися щодня в новому місці, віддаленому від попереднього на тисячу кілометрів.

І ті й інші мали рацію: щодо поїзда мандрівниці зустрічалися справді в тому самому місці, щодо полотна залізниці - в різних місцях. Цей приклад показав, що поняття простору - поняття не абсолютне, а відносне.

Обидва приклади - про зустріч мандрівниць та відчинення дверей на пароплаві - подібні один до одного. В обох випадках йдеться про відносність, і зустрічаються навіть однакові слова: «в той самий» і «в різні». Тільки в першому прикладі йдеться про місця, тобто про простір, а в другому – про моменти, тобто про час. Що ж звідси випливає?

Те, що поняття часу так само відносно, як і поняття простору.

Щоб остаточно переконатися в цьому, видозмінимо кілька прикладів з пароплавом. Припустимо, що механізм одного з дверей у несправності. Нехай через цю несправність люди на пароплаві помітять, що передні двері відчинилися на 15 секунд раніше за задню. А що побачать люди на пристані?

Якщо в першому варіанті прикладу передні двері відчинилися для них на 40 секунд пізніше за задню, то в другому варіанті це відбудеться лише на 40 - 15 = 25 секунд пізніше. Виходить, таким чином, що для людей на пароплаві передні двері відчинилися раніше від задніх, а для людей на пристані - пізніше.

Отже, те, що для однієї лабораторії було раніше, щодо іншої сталося пізніше. Звідси ясно, що поняття часу - поняття відносне.

Це відкриття було зроблено 1905 року двадцятишестирічним фізиком Альбертом Ейнштейном. До того людина уявляла собі час абсолютним - всюди у світі однаковим, незалежним від жодної лабораторії. Так колись люди вважали однаковим у всьому світі напрями верху та низу.

І ось час спіткала доля простору. Виявилося, що вираз «одночасно» має не більше сенсу, ніж вираз «в тому самому місці», якщо не зазначено, до якої лабораторії вони належать.

Можливо, у когось все ж таки виникає запитання: ну, а насправді, незалежно від будь-якої лабораторії, одночасні якісь дві події чи ні? Замислюватися над цим питанням так само безглуздо, як над питанням, а де насправді, незалежно від якихось лабораторій, перебувають у світі верх і низ?

Відкриття відносності часу дозволило, як ви побачите з подальшого, вирішити всі протиріччя, яких привів фізику досвід Майклсона. Це відкриття було однією з найбільших перемог розуму над закоснелими уявленнями, що склалися протягом тисячоліть. Вразивши своєю надзвичайністю тут вчений світ, воно зробило глибокий переворот у поглядах людства на природу. За характером та значенням його можна порівняти тільки з переворотом, викликаним відкриттям кулястості Землі або відкриттям її руху навколо Сонця.

Так Ейнштейн поряд з Коперником і Ньютоном проклав зовсім нові шляхи для науки. І недарма відкриття цього, ще молодого тоді, вченого швидко здобуло йому славу найбільшого фізика нашого століття.

Вчення про відносність часу називають зазвичай «принципом відносності Ейнштейна» або просто «принципом відносності». Його не слід змішувати із законом або принципом відносності руху, про який йшлося раніше, тобто з «класичним принципом відносності», або «принципом відносності Галілея - Ньютона».

Швидкість має межу

Розповісти в журнальній статті про ті величезні зміни і про все те нове, що принцип відносності вніс у науку, неможливо. Крім того, для розуміння всього цього треба добре знати фізику та вищу математику.

Мета нашої статті – роз'яснення лише самих основ принципу Ейнштейна та тих найважливіших наслідків, які випливають із відносності часу. Вже одне це, як ви бачили, – завдання далеко не просте. Зауважимо, що принцип відносності - одне з найважчих наукових питань, причому заглянути до нього досить глибоко без допомоги математики взагалі неможливо.

Для початку розглянемо одне дуже важливе наслідок відносності часу, що стосується швидкості.

Як відомо, швидкість паровозів, автомобілів та літаків з моменту їх винаходу і досі безперервно зростає. Нині вона досягла величини, яка лише кілька десятиліть тому видалася б неймовірною. Вона збільшуватиметься і надалі.

У техніці відомі й набагато більші швидкості. Це насамперед швидкості куль і артилерійських снарядів. Швидкість польоту куль і снарядів завдяки безперервним технічним удосконаленням також зростала з року в рік і збільшуватиметься надалі.

Але найбільша швидкість, якою користуються в техніці, це швидкість передачі сигналів за допомогою світлових променів, електричного струму та радіохвиль. У всіх трьох випадках вона приблизно дорівнює одній і тій же величині - 300 тисяч кілометрів на секунду.

Можна подумати, що з подальшим розвитком техніки, з відкриттям якихось нових променів і ця швидкість буде перевищена; Збільшуючи доступні нам швидкості, ми зуміємо зрештою як завгодно близько підійти до ідеалу миттєвої передачі сигналів або зусиль на будь-які відстані.

Досвід Майклсона показує, однак, що ідеал цей недосяжний. Справді, за нескінченно великої швидкості передачі сигнали від двох подій за всіх умов доходили б миттєво; і якби в одній лабораторії дві події відбулися одночасно, то в усіх інших лабораторіях вони теж спостерігалися б одночасно - в той самий момент, коли вони відбулися. А це означало б, що «одночасність» стала абсолютною, абсолютно не залежною від руху лабораторій. Але абсолютність часу, як ми бачили, спростована досвідом Майклсона. Отже, передача сигналів чи зусиль може бути миттєвої.

Іншими словами, швидкість будь-якої передачі не може бути нескінченно великою. Існує певна межа швидкості - гранична швидкість, яка за жодних умов не може бути перевищена.

Неважко переконатися, що гранична швидкість збігається зі швидкістю світла. Адже згідно з принципом відносності Галілея - Ньютона закони природи у всіх лабораторіях, що рухаються відносно один одного прямолінійно та рівномірно, однакові. Значить, для всіх таких граничних лабораторій повинна бути одна і та ж швидкість. Але яка швидкість зберігає свою величину незмінною у всіх лабораторіях? Такою дивовижною сталістю, як ми бачили, має якраз швидкість світла, і тільки вона! Звідси випливає, що швидкість світла - не просто швидкість поширення якоїсь однієї (хоч і дуже важливої) дії у світі: вона водночас є граничною швидкістю, що існує в природі.

Відкриття існування граничної швидкості у природі також було однією з найбільших перемог людської думки. Фізик минулого століття не міг би здогадатися до того, що для швидкості є межа. Якщо ж він і натрапив би при дослідах на факт існування граничної швидкості, то він вирішив би, що це випадковість, що винна лише обмеженість його експериментальних можливостей. Він міг би думати, що з розвитком техніки гранична швидкість то, можливо перевищена.

Нам же ясно протилежне: розраховувати на це було б так само смішно, як вважати, що з розвитком мореплавства можна буде досягти на земній поверхні місця, віддаленого від вихідного пункту більш ніж на 20 тисяч кілометрів (тобто більш ніж на половину земного кола).

Коли хвилина дорівнює годині?

Щоб всебічно роз'яснити відносність часу і наслідки, що звідси випливають, які з незвички здаються дивними, Ейнштейн користується прикладами з поїздом. Вчинимо так само і ми. Гігантський поїзд, що рухається з уявною шаленою швидкістю, називатимемо «поїздом Ейнштейна».

Уявімо дуже довгу залізницю. На відстані 864 мільйони кілометрів одна від одної знаходяться дві станції. Щоб пройти відстань між ними, поїзду Ейнштейна, що рухається зі швидкістю, скажімо, 240 тисяч кілометрів на секунду, знадобиться година часу. На обох станціях є абсолютно точний годинник.

На першій станції у поїзд сідає мандрівник. Попередньо він ставить свій кишеньковий хронометр точно по станційному годиннику. Після приїзду на іншу станцію він звіряє його зі станційним годинником і з подивом помічає, що хронометр відстав.

Чому це сталося?

Припустимо, що на підлозі вагона знаходиться електрична лампочка, а на стелі дзеркало. Промінь світла від лампочки, що падає на дзеркало, відбивається назад до лампочки. Шлях променя, яким його побачить мандрівник у вагоні, зображений на верхньому малюнку: промінь прямує вертикально догори і падає вертикально донизу.

Інша картина представиться спостерігачеві на станції. За час, протягом якого промінь світла йшов від лампочки до дзеркала, дзеркало перемістилося разом із потягом. А за час падіння відбитого променя перемістилася на таку саму відстань сама лампочка. Шлях, пройдений променем з погляду спостерігача на станції, показано на нижньому малюнку: він становить дві сторони різнобедренного трикутника. Основа трикутника утворена шляхом лампочки, що захоплюється поїздом уперед.

Ми бачимо, що з погляду спостерігача на станції промінь світла пройшов більшу відстань, ніж з погляду спостерігача у поїзді. Разом з тим ми знаємо, що швидкість світла відрізняється сталістю за всіх умов: вона однакова як для спостерігача на станції, так і для мандрівника в поїзді. Що ж звідси випливає?

Зрозуміло, що й швидкості однакові, а довжина шляхів різна, то проходження меншого шляху витрачається менше часу, але в проходження більшого - більше. Легко обчислити ставлення обох часів.

Припустимо, що з погляду спостерігача на станції між відправленням променя до дзеркала та поверненням його до лампочки пройшло 10 секунд. За ці 10 секунд світло пройшло:

300.000 x 10 = 3 млн. кілометрів.

Отже, сторони АВ і ПС рівнобедреного трикутника АВС дорівнюють по 1,5 млн. кілометрів кожна. Сторона ж АС 1 основа трикутника, що дорівнює шляху, пройденому за 10 секунд поїздом, а саме:

240.000 x 10 = 2,4 млн. кілометрів.

Половина основи, АD 1 дорівнює 1,2 млн кілометрів.

Звідси неважко визначити висоту вагона – висоту трикутника BD. З прямокутного трикутника ABD маємо:

BD 2 = AB 2 - AD 2 = 1,52 - 1,22

Звідси BD = 0,9 млн. км.

Висота досить солідна, що не дивно при астрономічних розмірах поїзда Ейнштейна.

Шлях, пройдений променем з погляду спостерігача у поїзді, дорівнює, очевидно, подвоєної висоті трикутника:

2BD = 2 x 0,9 = 1,8 млн кілометрів.

Для проходження цього шляху світла знадобиться:

1800000/300000 = 6 секунд.

Отже, поки промінь світла йшов від лампочки до дзеркала і назад, на станції пройшло 10 секунд, а в поїзді - лише 6 секунд. Ставлення часу в поїзді на станціях становить 6/10.

Звідси дивовижний наслідок: за станційним часом поїзд витратив на подорож між станціями годину, а по хронометру мандрівника всього 6/10 години, тобто 36 хвилин. Ось чому за час руху між станціями хронометр мандрівника відстав від станційного годинника і до того ж на 24 хвилини.

Потрібно добре осмислити цей факт: хронометр мандрівника відстав не тому; що він повільніше йшов чи неправильно працював. Ні, він працював так само, як годинник на станціях. Але час у поїзді, що рухається щодо станцій, протікав інакше, ніж на станціях.

Зі схеми з трикутником видно, що чим більша швидкість поїзда, тим більше має бути відставання хронометра від поїзда до швидкості світла, можна домогтися того, щоб за годину станційного часу в поїзді пройшов будь-який малий проміжок часу. Наприклад, при швидкості поїзда, що дорівнює близько 0,9999 швидкості світла, за годину станційного часу в поїзді пройде лише 1 хвилина (або, навпаки, за хвилину станційного часу в поїзді пройде година, якщо спостерігач на одній станції перевірятиме свій час по двох хронометрам, встановленим на початку та в кінці поїзда).

Вважаючи час абсолютним, людина раніше уявляла його чимось рівномірно поточним, і до того ж - всюди і за всіх умов у світі з однаковою швидкістю. Але поїзд Ейнштейна показує, що у різних лабораторіях темп часу різний. Ця відносність часу є однією з найважливіших властивостей фізичного світу.

З усього сказаного можна зробити висновок, що описана Уеллсом у фантастичній повісті «машина часу» - не така вже й порожня фантазія. Відносність часу розкриває перед ними можливість – принаймні теоретично – подорожі у майбутнє. Неважко бачити, що поїзд Ейнштейна є саме "машиною часу".

Машина часу

Справді, уявимо, що поїзд Ейнштейна рухається не прямолінійно, а окружною залізницею. Тоді при кожному поверненні на вихідну станцію мандрівник виявлятиме, що його годинник відстав у порівнянні зі станційним.

Наближаючи швидкість поїзда до швидкості світла, можна, як ви вже знаєте, домогтися того, щоб за годину по станційному годиннику в поїзді пройшов якийсь малий проміжок часу. Це призводить до дивовижних результатів: поки в поїзді протікатимуть лише роки, на станції пройдуть сотні та тисячі років. Вийшовши зі своєї «машини часу», наш мандрівник потрапить у відокремлене майбутнє… Його рідні та знайомі давно вже померли… У живих він застане лише їхніх віддалених нащадків.

Однак поїзд Ейнштейна все ж таки сильно відрізняється від машини Уеллса. Адже та, за твердженням романіста, могла здійснювати рух у часі не через свою велику швидкість, а завдяки якомусь особливому технічному устрою. Але насправді ніякий такий пристрій не може бути створений; це - цілковита безглуздість. Є лише один спосіб потрапити у майбутнє: надати поїзду колосальну швидкість – близьку до швидкості світла.

Ще одна властивість відрізняє поїзд Ейнштейна від уеллсовської машини часу: він не в змозі рухатися «назад» за часом, тобто він позбавлений можливості вирушити в минуле, а тим самим повернутися з майбутнього в сьогодення.

Взагалі, сама ідея руху назад за часом абсолютно безглузда. Ми можемо впливати тільки на те, чого ще не було, але не можемо змінити того, що вже було. Це зрозуміло хоча б з такого прикладу: якби можна було рухатися назад у часі, то могло б статися так, що людина вирушила в минуле і вбила своїх батьків тоді, коли вони ще були немовлятами. А повернувшись нині, він опинився б у безглуздому становищі людини, батьки якої померли задовго до її народження!

Рух зі швидкістю, близькою до швидкості світла, відкриває теоретично ще одну можливість: разом з часом долати будь-які відстані. А вони можуть бути у світовому просторі такі великі, що навіть за граничної швидкості для більшості подорожей не вистачило б людського життя.

Прикладом може бути зірка, віддалена від нас, скажімо, на двісті світлових років. Оскільки швидкість світла – найбільша швидкість у природі, то, отже, досягти цієї зірки раніше, ніж через двісті років після старту, неможливо. Оскільки тривалість людського життя менше двохсот років, то, здавалося б, можна з упевненістю стверджувати, що людина принципово позбавлена ​​можливості досягати далеких зірок.

І все-таки це міркування помилкове. Помилка в тому, що ми говоримо про двісті років, як про щось абсолютно. Але ж час відносно, тобто спільного для всіх лабораторій часу немає. На станціях був один рахунок часу, а в поїзді Ейнштейна – інший.

Уявімо зореплавця, що вирушив у світовий простір. Поки він досягне зірки, віддаленої від нас на двісті світлових років, за земним часом переліку дійсно пройде двісті років. У ракеті ж, залежно від її швидкості щодо Землі, може протікати, як знаємо, який завгодно малий проміжок часу.

Таким чином, зореплавець досягне зірки за своїм часом числення не в двісті років, а, скажімо, в один рік. За достатньої великої швидкості теоретично можна «злітати» на зірку і повернутися по ракетному годиннику навіть за одну хвилину…

Більше того: при русі з граничною швидкістю у світі – 300 тисяч кілометрів на секунду – і час стає гранично малим, тобто рівним нулю. Іншими словами, якби ракета могла рухатися зі швидкістю світла, час для спостерігача, що перебуває в ній, зовсім зупинився б, і з точки зору цього спостерігача момент старту збігся б з моментом фінішу.

Повторюємо, що це мислимо лише теоретично. Практично ж подорож у майбутнє і на віддалені зірки неможлива, оскільки пересування машин і людей зі швидкостями, близькими до швидкості світла, з технічних причин неможливе.

І розміри предметів відносні

Міркування та цікаві приклади, наведені в попередніх розділах, здаються фантастичними. Але їх мета - не захопити читача фантастикою, а показати всю глибину і серйозність наслідків, які з відносності часу.

Неважко переконатися, що з відносності часу витікає і відносність розмірів тіл.

Нехай довжина платформи, повз яку проїжджає поїзд Ейнштейна, дорівнює 2,4 млн. кілометрів. При швидкості 240 тисяч кілометрів на секунду поїзд проїде платформу протягом 10 секунд. Але за 10 секунд станційного часу у поїзді пройде лише 6 секунд. Звідси мандрівник з повним правом зробить висновок, що довжина платформи дорівнює 240 тис. х 6 = 1,44 млн. кілометрів, а не 2,40 млн. кілометрів.

Це означає, що предмет, що спочиває щодо будь-якої лабораторії, довший, ніж рухомий. Щодо поїзда платформа рухалася, а щодо станції вона лежала. Тому для спостерігача на станції вона і була довшою, ніж для мандрівника. Вагони ж поїзда навпаки для спостерігача на станції були в 10/6 рази коротші, ніж для мандрівника.

Зі збільшенням швидкості довжина предметів дедалі більше зменшується. Тому при найбільшій швидкості вона мала б стати найменшою, тобто рівною нулю.

Отже, всяке тіло, що рухається, скорочується в напрямку свого руху. У зв'язку з цим треба внести поправку в один із прикладів, наведених нами в №9 журналу, а саме: при досвіді з відчиненням дверей на пароплаві ми знайшли, що для спостерігача на пристані другі двері відчинилися на 40 секунд пізніше за перші. Але так як довжина пароплава, що рухався зі швидкістю в 240 тисяч кілометрів на секунду в 10/6 рази скоротилася щодо пристані, то дійсний проміжок часу між відчиненням дверей дорівнюватиме по годинах на пристані не 40 секунд, а 40: 10/6 = 24 секунд . Принципових висновків, зроблених нами з досвіду з пароплавом, це числове поправлення, звичайно, не змінює.

Відносність розмірів тіл негайно тягне за собою нове, може бути вражаюче, наслідок принципу відносності. «Найразливіше» тому, що саме воно пояснює несподіваний результат експерименту Майклсона, який свого часу вніс сум'яття до лав фізиків. Справа стосувалася, як ви пам'ятаєте, складання швидкостей, які з незрозумілої причини не «хотіли» підкорятися звичайній математиці.

Людина завжди звикала складати швидкості, спрямовані по прямій і в один бік, чисто арифметично, тобто так само просто, як столи або яблука. Наприклад, якщо який-небудь корабель пливе у певному напрямку зі швидкістю 20 кілометрів на годину, а по його палубі йде в тому ж напрямку пасажир зі швидкістю 5 кілометрів на годину, то швидкість пасажира щодо пристані дорівнюватиме 20 + 5 = 25 кілометрів на годину година.

Донедавна фізики були впевнені, що такий спосіб додавання абсолютно правильний і придатний для знаходження суми будь-яких швидкостей. Але принцип відносності не залишив і цього правила механіки недоторканим.

Спробуйте, наприклад, скласти швидкості 230 і 270 тисяч кілометрів на секунду. Що вийде? 500 тисяч кілометрів на секунду. А такої швидкості існувати не може, оскільки 300 тисяч кілометрів на секунду – найбільша швидкість у світі. Звідси зрозуміло принаймні те, що сума будь-яких і скільки завгодно швидкостей у всякому разі не може перевищувати 300 тисяч кілометрів на секунду.

Але, можливо, допустимо складати арифметично менші швидкості, наприклад, в 150 і 130 тисяч кілометрів на секунду? Адже їхня сума, 280 тисяч кілометрів на секунду, не перевищує граничну швидкість у світі.

Неважко переконатися, що й тут арифметична сума неправильна. Нехай, наприклад, зі швидкістю 150 тисяч кілометрів на секунду рухається повз пристань пароплав, а зі швидкістю 130 тисяч кілометрів на секунду котиться по палубі пароплава куля. Сума цих швидкостей має виражати швидкість кулі щодо пристані. Однак з попереднього розділу ми знаємо, що тіло, що рухається, скорочується у своїх розмірах. Тому відстань у 130 тисяч кілометрів на пароплаві зовсім не дорівнює 130 тисяч кілометрів для спостерігача на пристані, а 150 тисяч кілометрів на березі зовсім не дорівнюють 150 тисяч кілометрів для пасажира на пароплаві.

Далі, визначення швидкості кулі щодо пристані спостерігач користується годинами на пристані. Але швидкість кулі на пароплаві визначається за пароплавним часом. А час на пароплаві, що рухається, і на пристані, як ми знаємо, зовсім не один і той же.

Так виглядає питання складання швидкостей насправді: доводиться враховувати відносність та відстаней та часу. Як же слід складати швидкості?

Ейнштейн дав при цьому особливу формулу, що відповідає принципу відносності. Досі ми не наводили формул з теорії відносності, не бажаючи обтяжувати ними цю важку статтю. Однак коротка і чітка мова математики робить багато одразу ясним, замінюючи собою довгі міркування з великою кількістю слів. Формула ж складання швидкостей не тільки набагато простіше всіх попередніх міркувань, а й сама по собі настільки проста і цікава, що її варто навести:

Тут V 1 і V 2 – складові швидкості, W – сумарна швидкість, c – найбільша швидкість у світі (швидкість світла), що дорівнює 300 тисяч кілометрів на секунду.

Ця чудова формула має якраз потрібну властивість: які б швидкості ми по ній не складали, ніколи не вийде більше 300 тисяч кілометрів на секунду. Спробуйте скласти за цією формулою 230 тисяч і 270 тисяч кілометрів на секунду або навіть 300 тисяч і 300 тисяч кілометрів на секунду і подивіться, що вийде.

При складанні ж невеликих швидкостей - таких, з якими ми здебільшого стикаємося на практиці, - формула дає звичний нам результат, що мало відрізняється від арифметичної суми. Візьмемо для прикладу навіть найбільші сучасні швидкості пересування. Нехай два літаки рухаються назустріч один одному, пролітаючи за годину по 650 кілометрів кожен. Яка швидкість їхнього зближення?

Арифметично – (650 + 650) = 1300 кілометрів на годину. А за формулою Ейнштейна - всього на 0,72 мікрона на годину менше. А в наведеному вище прикладі з кораблем, що повільно рухається, по палубі якого йде людина, ця різниця ще в 340 тисяч разів менша.

Виявити подібні величини у разі шляхом вимірювань неможливо. Та й практичне значення їх дорівнює нулю. Звідси зрозуміло, чому людина протягом тисячоліть не помічала, що арифметичне складання швидкостей принципово неправильне: неточність при такому додаванні набагато менша за найсуворіші вимоги практики. І тому в техніці все завжди сходилося з розрахунками, якщо розрахунки бували вірні.

Але складати арифметичні швидкості, які можна порівняти зі швидкістю світла, вже не можна: тут ми можемо впасти в грубі помилки. Наприклад, при швидкостях у 36 тисяч кілометрів на секунду помилка перевищить 1 тисячу кілометрів, а за 100 тисяч кілометрів на секунду вона досягне вже 20 тисяч кілометрів на секунду.

Те, що арифметичне складання швидкостей неправильне, а формула Ейнштейна вірна, підтверджується досвідом. Інакше й не могло бути: саме досвід змусив фізиків переглянути старі поняття в механіці і привів їх до принципу відносності.

Знаючи, як треба складати швидкості, ми можемо тепер зрозуміти «загадкові» результати експерименту Майклсона. Виробляючи цей експеримент тоді, коли Земля рухалася назустріч променю світла зі швидкістю 30 кілометрів на секунду, Майклсон очікував отримати результат 300 000 + 30 = 300 030 кілометрів на секунду.

Але ж так складати швидкості не можна!

Підставте у формулу складання швидкостей V 1 = с (з - швидкість світла) і V 2 = 30, і ви знайдете, що сумарна швидкість дорівнює лише с1, а не більше. Саме таким і був результат досвіду Майклсона.

Той самий результат вийде і при всіх інших значеннях V 2 якщо тільки V 1 дорівнює швидкості світла. Нехай Земля проходить за секунду будь-яке число кілометрів: 30 – навколо Сонця, 275 – разом із сонячною системою та тисячі кілометрів – з усією Галактикою. Справи це не змінює. У всіх випадках додавання швидкості Землі зі швидкістю світла формула дасть одну й ту саму величину с.

Отже, результати експерименту Майклсона дивували нас лише тому, що ми не вміли правильно складати швидкість. Не вміли ж ми цього робити, тому що не знали, що тіла скорочуються у напрямку свого руху і що у різних лабораторіях час протікає по-різному.

Маса та енергія

Залишилося розглянути останнє питання.

Одна з найважливіших властивостей будь-якого тіла - це його маса. Ми звикли вважати, що вона завжди залишається незмінною. Але розрахунки, засновані на принципі відносності, показують інше: під час руху тіла його маса збільшується. Вона зростає у стільки разів, скільки зменшується довжина тіла. Таким чином, маса поїзда Ейнштейна, що рухається зі швидкістю 240 тисяч кілометрів на секунду, в 10/6 рази більша, ніж маса, що покоїться.

У міру наближення швидкості до межі маса росте все швидше та швидше. При граничній швидкості маса будь-якого тіла має стати нескінченно великою. Звичайні швидкості, з якими ми стикаємося на практиці, викликають зовсім незначне зростання маси.

Однак перевірити це явище на досвіді все ж таки можливо: сучасна експериментальна фізика в змозі порівнювати масу електронів, що швидко рухаються, з масою тих, що покояться. І досвід підтверджує закон залежності маси від швидкості.

Але для того, щоб повідомляти тілам швидкість, необхідно витратити енергію. І ось виявляється, що взагалі будь-яка робота виготовлена ​​над тілом, всяке збільшення енергії тіла спричиняє зростання маси, пропорційне цій витраченій енергії. Тому маса нагрітого тіла більша, ніж холодного, маса стиснутої пружини більша, ніж вільної.

Незначним кількостям одиниць маси відповідають величезні кількості одиниць енергії. Наприклад, для збільшення маси будь-якого тіла всього на 1 грам треба зробити над ним роботу в 25 млн. кіловат-годин. Інакше висловлюючись, маса 25 млн. кіловат-годин електричної енергії дорівнює 1 граму. Щоб отримати цей грам, потрібна вся енергія, яку виробляє Дніпрогес протягом двох діб. Вважаючи лише по одній копійці за кіловат-годину, знайдемо, що 1 грам найдешевшої електричної енергії коштує 250 тисяч рублів. А якщо перетворити електроенергію на світло, то 1 грам світла коштуватиме приблизно 10 млн. рублів. Це в багато разів дорожче за найдорожчу речовину - радію.

Якщо спалити в закритому приміщенні 1 тонну вугілля, то продукти горіння важитимуть після їх охолодження лише на 1/3000 частку грама менше, ніж вугілля та кисень, з яких вони утворилися. Частка маси, що бракує, втрачена випромінюванням тепла. А нагрівання 1 тонни води від 0 до 100 градусів спричинить збільшення її маси менш ніж на 5/1 000 000 часток грама.

Цілком зрозуміло, що подібні мізерні зміни маси тіл при втраті або придбанні ними енергії вислизають від найточніших вимірів. Проте сучасній фізиці відомі явища, у яких зміна маси стає помітним. Це процеси, що відбуваються під час зіткнення атомних ядер, коли з ядер одних елементів утворюються ядра інших елементів.

Наприклад, при зіткненні ядра атома літію з ядром водню утворюються два ядра атома гелію. Маса цих двох ядер вже на значну величину - на 1/4 частина - менша від загальної маси ядер водню та літію. Отже, при перетворенні 1 г суміші літію і водню в гелій повинна виділитися 1/400 частка грама енергії, що складе в кіловат-годинах:

25 000 000/400 = 62,5 тисяч кіловат-годин.

Таким чином, якби ми могли легко здійснювати ядерні перетворення, ми стали б володарями найбагатшого джерела енергії: щоб отримати потужність Дніпрогесу, достатньо було б щогодини перетворювати на гелій лише 4 грами суміші літію та водню.

Нова та стара фізика

На цьому закінчується наше побіжне ознайомлення із принципом відносності.

Ми бачили, які серйозні та глибокі зміни вніс принцип відносності у світогляд, що склався у людства протягом багатьох століть. Чи це не означає, що старі уявлення повністю зруйновані? Що вони мають бути повністю відкинуті? Що всю фізику, створену до відкриття принципу відносності, слід закреслити як неправильну?

Ні, оскільки розбіжність між старою фізикою (її називають «класичною») та фізикою, яка враховує принцип відносності («релятивістської», від латинського слова «реляціо», що означає «віднесення»), надто мізерна майже у всіх сферах нашої практичної діяльності.

Якби, наприклад, пасажир звичайного, хоч би й самого швидкохідного поїзда (але, звичайно, не поїзда Ейнштейна) надумав запровадити поправку часу на принцип відносності, його підняли б на сміх. За добу така поправка виявилася в десятимільярдних частках секунди. Тряска поїзда та неточна робота найкращого годинникового механізму незрівнянно сильніше впливають на показання годинника.

Інженер, який увів би до розрахунків збільшення маси води під час її нагрівання, міг би бути названий божевільним. Натомість фізик, який вивчає зіткнення атомних ядер, але не враховує можливих змін маси, повинен бути вигнаний з лабораторії за невігластво.

Конструктори завжди будуть проектувати машини, користуючись законами класичної фізики: поправки на принцип відносності вплинуть на машини менший вплив, ніж мікроб, що сів на маховик. Але фізик, який спостерігає за швидкими електронами, повинен враховувати зміну їхньої маси залежно від швидкості.

Отже, закони природи, відкриті до виникнення принципу відносності, не скасовуються; теорія відносності не спростовує, лише поглиблює і уточнює знання, здобуті старої наукою. Вона встановлює межі, у яких можна цими знаннями користуватися, без помилок.

На закінчення слід сказати, що теорія відносності не обмежується питаннями, які ми розглянули у цій статті. Продовжуючи розробку свого вчення, Ейнштейн дав надалі зовсім нову картину такого найважливішого явища як всесвітнє тяжіння. У зв'язку з цим вчення про відносність було розбито дві частини. Першу з них, що не стосується тяжіння, було названо «приватним», або «спеціальним», «принципом відносності»; друга частина, що охоплює питання тяжіння, - «загальним принципом відносності». Отже, ми познайомилися лише з приватним принципом (розгляд загального принципу не входило завдання цієї статті).

Залишається лише відзначити, що з досить глибокому вивченні фізики все лабіринти складного будівлі теорії відносності стають ясними. Але проникнути в них, як ми знаємо, було не просто. Для цього потрібна була геніальна здогад: треба було зуміти зробити з експерименту Майклсона правильні висновки - відкрити відносність часу з усіма наслідками, що звідси випливають.

Так людство у своєму вічному прагненні ширше і глибше пізнати світ здобуло одну зі своїх найбільших перемог.

Воно завдячує нею генію Альберта Ейнштейна.

Хто б міг подумати, що дрібний поштовий службовець змінитьоснови науки свого часу? Але таке сталося! Теорія відносності Ейнштейна змусила переглянути звичний погляд на устрій Всесвіту і відкрила нові галузі наукового пізнання.

Більшість наукових відкриттів зроблено за допомогою експерименту: вчені повторювали свої досліди багато разів, щоб бути впевненими у їхніх результатах. Роботи зазвичай проводилися в університетах чи дослідницьких лабораторіях великих компаній.

Альберт Ейнштейн повністю змінив наукову картину світу, не провівши жодного практичного експерименту. Його єдиними інструментами були папір та ручка, а всі експерименти він проводив у голові.

Світло, що рухається

(1879-1955) засновував всі свої висновки на результатах «думкового експерименту». Ці експерименти можна було зробити лише в уяві.

Швидкості всіх тіл, що рухаються, відносні. Це означає, що всі об'єкти рухаються або залишаються нерухомими лише щодо будь-якого іншого об'єкта. Наприклад, людина, нерухома щодо Землі, водночас обертається разом із Землею навколо Сонця. Або припустимо, що вагоном поїзда, що рухається, йде людина в бік руху зі швидкістю 3 км/год. Потяг рухається із швидкістю 60 км/год. Щодо нерухомого спостерігача на землі швидкість людини дорівнюватиме 63 км/год - швидкість людини плюс швидкість поїзда. Якби він йшов проти руху, то його швидкість щодо нерухомого спостерігача дорівнювала б 57 км/год.

Ейнштейн стверджував, що про швидкість світла так міркувати не можна. Швидкість світла завжди постійнанезалежно від того, чи наближається джерело світла до вас, віддаляється від вас або стоїть на місці.

Чим швидше, тим менше

З початку Ейнштейн висунув кілька дивовижних припущень. Він стверджував, що якщо швидкість об'єкта наближається до швидкості світла, його розміри зменшуються, а маса, навпаки, збільшується. Жодне тіло не можна розігнати до швидкості рівної або більшої швидкості світла.

Інший його висновок був ще дивовижнішим і, здавалося, суперечив здоровому глузду. Уявіть, що з двох близнюків один залишився на Землі, а інший мандрував космосом зі швидкістю, близькою до швидкості світла. З моменту старту Землі минуло 70 років. Згідно з теорією Ейнштейна, на борту корабля час тече повільніше, і там минуло, наприклад, лише десять років. Виходить, що той із близнюків, хто залишався на Землі, став на шістдесят років старшим за другий. Цей ефект називають « парадоксом близнюків». Звучить просто неймовірно, але лабораторні експерименти підтвердили, що уповільнення часу при швидкостях, близьких до швидкості світла дійсно існує.

Нещадний висновок

Теорія Ейнштейна також містить відому формулу E=mc 2, в якій E – енергія, m – маса, а c – швидкість світла. Ейнштейн стверджував, що маса може перетворюватися на чисту енергію. В результаті застосування цього відкриття у практичному житті з'явилися атомна енергетика та ядерна бомба.

Ейнштейн був теоретиком. Експерименти, які мали довести правоту його теорії, він залишав іншим. Багато з цих експериментів було неможливо зробити доти, доки не з'явилися досить точні вимірювальні прилади.

Факти та події

• Було зроблено наступний експеримент: літак, на якому було встановлено дуже точний годинник, злетів і, облетівши з великою швидкістю навколо Землі, опустився в тій же точці. Годинник, що знаходився на борту літака, на нікчемну частку секунди відстав від годинника, який залишався на Землі.
• Якщо в ліфті, що падає з прискоренням вільного падіння, упустити кулю, то куля не падатиме, а як би зависне в повітрі. Це відбувається тому, що куля та ліфт падають з однаковою швидкістю.
• Ейнштейн довів, що тяжіння впливає на геометричні властивості простору-часу, який у свою чергу впливає на рух тіл у цьому просторі. Так, два тіла, які почали рух паралельно одне одному, зрештою зустрінуться лише у точці.

Викривляючи час та простір

Десятьма роками пізніше, у 1915—1916 роках, Ейнштейн побудував нову теорію гравітації, яку він назвав. загальною теорією відносності. Він стверджував, що прискорення (зміна швидкості) діє тіла так само, як і сила гравітації. Космонавт не може за своїми відчуттями визначити, чи притягує його велика планета, чи ракета почала гальмувати.

Якщо космічний корабель розганяється до швидкості, близької швидкості світла, то годинник на ньому сповільнюється. Чим швидше рухається корабель, тим повільніше йде годинник.

Відмінності її від ньютонівської теорії тяжіння виявляються щодо космічних об'єктів із величезною масою, наприклад планет чи зірок. Експерименти підтвердили викривлення променів світла, що проходять поблизу тіл із великою масою. В принципі можливе настільки сильне гравітаційне поле, що світло не зможе вийти за його межі. Це явище отримало назву « чорної дірки». "Чорні дірки", мабуть, виявлені у складі деяких зіркових систем.

Ньютон стверджував, що орбіти планет навколо Сонця фіксовано. Теорія Ейнштейна передбачає повільний додатковий поворот орбіт планет, пов'язаний з наявністю гравітаційного поля Сонця. Пророцтво підтвердилося експериментально. Це було воістину епохальне відкриття. До закону всесвітнього тяжіння сера Ісаака Ньютона було внесено поправки.

Початок перегонів озброєнь

Роботи Ейнштейна дали ключ до багатьох таємниць природи. Вони вплинули на розвиток багатьох розділів фізики, від фізики елементарних частинок до астрономії - науки про будову Всесвіту.

Ейнштейн у житті займався як теорією. 1914 року він став директором інституту фізики в Берліні. 1933 року, коли до влади в Німеччині прийшли нацисти, йому, як єврею, довелося виїхати з цієї країни. Він переїхав до США.

У 1939 році, незважаючи на те, що він був противником війни, Ейнштейн написав президенту Рузвельту листа, в якому попереджав його, що можна зробити бомбу, що має величезну руйнівну силу, і що фашистська Німеччина вже приступила до розробки такої бомби. Президент віддав розпорядження розпочати роботи. Це започаткувало гонку озброєнь.

Ще наприкінці XIX століття більшість вчених схилялося до точки зору, що фізична картина світу в основному побудована і залишиться надалі непорушною - доведеться уточнювати лише деталі. Але в перші десятиліття ХХ століття фізичні погляди змінилися докорінно. Це було наслідком «каскаду» наукових відкриттів, зроблених протягом надзвичайно короткого історичного періоду, що охоплює останні роки ХІХ століття і перші десятиліття ХХ, багато з яких зовсім не вкладалися у повсякденний людський досвід. Яскравим прикладом може бути теорія відносності, створена Альбертом Ейнштейном (1879-1955).

Теорія відносності- фізична теорія простору-часу, тобто теорія, що описує універсальні просторово-часові властивості фізичних процесів. Термін був запроваджений у 1906 році Максом Планком з метою наголосити на ролі принципу відносності
у спеціальній теорії відносності (і, пізніше, загальної теорії відносності).

У вузькому значенні теорія відносності включає спеціальну і загальну теорію відносності. Спеціальна теорія відносності(Далі - СТО) відноситься до процесів, при дослідженні яких полями тяжіння можна знехтувати; загальна теорія відносності(далі - ОТО) - це теорія тяжіння, що узагальнює ньютонівську.

Спеціальна, або приватна теорія відносності - це теорія структури простору-часу. Вперше була представлена ​​в 1905 Альбертом Ейнштейном в роботі «До електродинаміки рухомих тіл». Теорія описує рух, закони механіки, а також просторово-часові відносини, що визначають їх, за будь-яких швидкостей руху,
навіть близьких до швидкості світла. Класична механіка Ньютона
у межах СТО є наближенням для малих швидкостей.

Одна з причин успіху Альберта Ейнштейна полягає в тому, що він ставив експериментальні дані вище за теоретичні. Коли у ряді експериментів виявилися результати, що суперечать загальноприйнятій теорії, багато фізиків вирішили, що ці експерименти помилкові.

Альберт Ейнштейн був одним із перших, хто вирішив побудувати нову теорію на базі нових експериментальних даних.

Наприкінці 19 століття фізики знаходилися в пошуку таємничого ефіру – середовища, в якому за загальноприйнятими припущеннями мали поширюватися світлові хвилі, подібно до акустичних, для поширення яких необхідне повітря, або інше середовище – тверде, рідке чи газоподібне. Віра в існування ефіру привела до переконання, що швидкість світла повинна змінюватись в залежності від швидкості спостерігача щодо ефіру. Альберт Ейнштейн відмовився від поняття ефіру та припустив, що всі фізичні закони, включаючи швидкість світла, залишаються незмінними незалежно від швидкості спостерігача – як це й показували експерименти.

СТО пояснювала, як інтерпретувати рухи між різними інерційними системами відліку – просто кажучи, об'єктами, які рухаються з постійною швидкістю по відношенню один до одного. Ейнштейн пояснив, що коли два об'єкти рухаються з постійною швидкістю, слід розглядати їхній рух один щодо одного, замість того, щоб прийняти один з них як абсолютну систему відліку. Так що, якщо два космонавти летять на двох космічних кораблях і хочуть порівняти свої спостереження, єдине, що їм потрібно знати, – це швидкість щодо один одного.

Спеціальна теорія відносності розглядає лише один спеціальний випадок (звідси і назва), коли рух прямолінійний і рівномірний.

Виходячи з неможливості виявити абсолютний рух, Альберт Ейнштейн зробив висновок про рівноправність усіх інерційних систем відліку. Він сформулював два найважливіші постулати, які склали основу нової теорії простору та часу, що отримала назву Спеціальної Теорії Відносності (СТО):

1. Принцип відносності Ейнштейна - цей принцип став узагальненням принципу відносності Галілея (стверджує те саме, але не всім законів природи, а лише законів класичної механіки, залишаючи відкритим питання застосування принципу відносності до оптики і електродинаміки) будь-які фізичні. Він говорить: всі фізичні процеси за тих самих умов в інерційних систем відліку (ІСО) протікають однаково. Це означає, що ніякими фізичними дослідами, проведеними всередині замкнутої ІСО, не можна встановити, чи вона лежить або рухається рівномірно і прямолінійно. Таким чином, усі ІСО абсолютно рівноправні, а фізичні закони інваріантні по відношенню до вибору ІСО (тобто рівняння, що виражають ці закони, мають однакову форму у всіх інерційних системах відліку).

2. Принцип сталості швидкості світла- швидкість світла у вакуумі постійна і не залежить від руху джерела та приймача світла. Вона однакова у всіх напрямках та у всіх інерційних системах відліку. Швидкість світла у вакуумі - гранична швидкість у природі -це з найважливіших фізичних постійних, про світових констант.

Найважливішим наслідком СТО стала знаменита формула Ейнштейна про взаємозв'язок маси та енергії Е=mc 2 (де С - швидкість світла), яка показала єдність простору та часу, що виражається у спільній зміні їх характеристик залежно від концентрації мас та їх руху та підтверджена даними сучасної фізики. Час і простір перестали розглядатися незалежно один від одного і виникло уявлення про просторово-часовий чотиривимірний континуум.

Відповідно до теорії великого фізика, коли швидкість матеріального тіла збільшується, наближаючись до швидкості світла, збільшується його маса. Тобто. що швидше рухається об'єкт, то важче він стає. У разі досягнення швидкості світла, маса тіла, як і його енергія, стають нескінченними. Чим важче тіло, тим складніше збільшити його швидкість; для прискорення тіла з нескінченною масою потрібна нескінченна кількість енергії, тому для матеріальних об'єктів досягти швидкості світла неможливо.

У теорії відносності «два закони - закон збереження маси та збереження енергії - втратили свою незалежну один від одного справедливість і виявилися об'єднаними в єдиний закон, який можна назвати законом збереження енергії чи маси». Завдяки фундаментальному зв'язку між цими двома поняттями, матерію можна перетворити на енергію, і навпаки – енергію на матерію.

Загальна теорія відносності- Теорія гравітації, опублікована Ейнштейном в 1916 році, над якою працював протягом 10 років. Є подальшим розвитком спеціальної теорії відносності. Якщо матеріальне тіло прискорюється чи повертає убік, закони СТО вже не діють. Тоді набирає чинності ОТО, яка пояснює рухи матеріальних тіл у загальному випадку.

У загальній теорії відносності постулюється, що гравітаційні ефекти обумовлені не силовою взаємодією тіл та полів, а деформацією самого простору-часу, в якому вони знаходяться. Ця деформація пов'язана, зокрема, із присутністю маси-енергії.

ВТО нині - найуспішніша теорія гравітації, добре підтверджена спостереженнями. ВТО узагальнила СТО на прискорені, тобто. неінерційні системи. Основні принципи ВТО зводяться до наступного:

- обмеження застосування принципу сталості швидкості світла областями, де гравітаційними силами можна знехтувати(там, де гравітація велика, швидкість світла сповільнюється);

- поширення принципу відносності на всі рухомі системи(а не лише на інерційні).

В ОТО, або теорії тяжіння він також виходить із експериментального факту еквівалентності мас інерційних та гравітаційних, або еквівалентності інерційних та гравітаційних полів.

Принцип еквівалентності відіграє у науці. Ми завжди можемо обчислити безпосередньо дію сил інерції на будь-яку фізичну систему, і це дає нам можливість знати дію поля тяжіння, відволікаючись від його неоднорідності, яка часто є дуже незначною.

З ОТО було отримано низку важливих висновків:

1. Властивості простору-часу залежать від матерії, що рухається.

2. Промінь світла, що має інертну, а, отже, і гравітаційну масу, повинен викривлятися в полі тяжіння.

3. Частота світла під впливом поля тяжіння повинна зміщуватися у бік нижчих значень.

Довгий час експериментальних підтверджень ОТО було замало. Згода теорії з досвідом досить хороша, але чистота експериментів порушується різними складними побічними впливами. Проте вплив викривлення простору-часу можна знайти навіть у помірних гравітаційних полях. Дуже чутливий годинник, наприклад, може виявити уповільнення часу на поверхні Землі. Щоб розширити експериментальну базу ОТО, у другій половині XX століття було поставлено нові експерименти: перевірялася еквівалентність інертної та гравітаційної мас (у тому числі й шляхом лазерної локації Місяця);
за допомогою радіолокації уточнювався рух перигелію Меркурія; вимірювалося гравітаційне відхилення радіохвиль Сонцем, проводилася радіолокація планет Сонячної системи; оцінювався вплив гравітаційного поля Сонця на радіозв'язок із космічними кораблями, які вирушали до далеких планет Сонячної системи, тощо. Усі вони так чи інакше підтвердили передбачення, отримані на основі ОТО.

Отже, спеціальна теорія відносності ґрунтується на постулатах сталості швидкості світла та однаковості законів природи у всіх фізичних системах, а основні результати, до яких вона приходить такі: відносність властивостей простору-часу; відносність маси та енергії; еквівалентність важкої та інертної мас.

Найбільш значним результатом загальної теорії відносності з філософської точки зору є встановлення залежності просторово-часових властивостей навколишнього світу від розташування та руху мас, що тяжіють. Саме завдяки впливу тіл
з великими масами відбувається викривлення шляхів руху світлових променів. Отже, гравітаційне поле, створюване такими тілами, визначає зрештою просторово-часові властивості світу.

У спеціальній теорії відносності абстрагуються від впливу гравітаційних полів і тому її висновки виявляються застосовними лише невеликих ділянок простору – часу. Кардинальна відмінність загальної теорії відносності від попередніх фундаментальних фізичних теорій у відмові від низки старих понять і формулюванні нових. Слід зазначити, що загальна теорія відносності справила справжній переворот у космології. На її основі з'явилися різні моделі Всесвіту.