Первое подведение итогов

Теория Относительности | http://relativity.ru | editor@relativity.ru

15.02.2006
Обсудить выпуск на форуме >>

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Прежде всего, хочу извиниться за своё долгое молчание. Но, к сожалению, тут ничего поделать нельзя: не всегда хватает времени на подготовку выпусков и даже вдохновение появляется не всегда.

Недавно я написал статью по квантовой механике, посвящённую разъёснением неравенств Белла. Возможно, кому-то будет интересно прочитать её, приглашаю. Коротко говоря, экспериментально обнаруженное нарушение неравенств Белла доказывает, что "чудеса" квнатовой механики не являются выдумкой, а вполне реальны. Кстати, любопытно, что, несмотря на то, что квантовая механика значительно "чудесатее" теории относительности, к первой почему-то возникает значительно меньше вопросов…

Итак, мы закончили первый этап ознакомления с теорией относительности. Мы прошли от постулатов к нескольким важнейшим выводам и здесь мы окинем взором пройденный путь.

Относительность

Ещё задолго до Эйнштейна была открыта относительность движения и введено это самое понятие относительности.

Коротко говоря, если мы едем на поезде, то мы должны считать, что мы неподвижны, а это земля и деревья движутся назад. Если же мы стоим на перроне, то наоборот, движется поезд, а мы неподвижны. Аналогично, если мы находимся на Земле, то нам кажется, что это Солнце вращается вокруг неё; если же мы перенесёмся на Солнце (хотя бы мысленно), то только тогда можно говорить, что это Земля вращается вокруг него.

То есть, движение относительно, оно не может происходить просто так, в пустоте. Если тело находится в бесконечном пустом пространстве, то невозможно сказать, движется оно или нет . Чтобы это стало заметно, вокруг тела должны появиться другие тела-ориентиры. Само же тело, со своей точки зрения, всегда покоится.

Постулаты специальной относительности

Заслуга Эйнштейна в том, что он разработал более правильные правила для работы с относительностью, которые и называются "теорией относительности". Теория относительности не говорит, что всё относительно, она говорит, что относительно, а что нет.

Теория относительности логически выводится (вспомните про разницу между логическими и физическими причинами, описанную в предыдущем выпуске) всего из двух постулатов. Вот они:

  1. Физические законы природы не меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой
  2. Скорость света на зависит от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО)

Система отсчёта — как раз и представляет математическую модель относительного движения. Мы привязываемся к какому-то телу, реальному или воображаемому, как бы "садимся" на него и только после этого становится ясно, что движется, а что нет.

Первый постулат утверждает, что если мы выбрали такую систему, в которой выполняется закон инерции (ИСО), то все законы природы останутся неизменными. То есть, если мы движемся на равномерно и прямолинейно плывущем корабле, то мы этого не сможем заметить. Даже если мы выглянем наружу, то просто увидим, что острова плывут назад.

Первый постулат подсказывает, что если система отсчёта неинерциальна (не-ИСО), например, корабль движется в шторм, то законы меняются и заметить это можно. Например, можно увидеть, как вода проливается из кувшина, привинченного к стене. То есть, равномерная скорость относительна, а ускорение — нет.

Второй постулат не говорит, как кажется, про свойства света. Он говорит просто, что всё, что движется со скоростью света, движется с этой скоростью независимо от ИСО. Действительно, представим себе, что какое-то тело любой природы летит вровень со световым импульсом. Если мы изменим ИСО, то эти два объекта должны продолжать лететь вровень, иначе будет нарушен постулат Но. 1. Следовательно, не только свет, но и всё, что движется со скоростью света, удовлетворяет постулату Но.2.

Замедление времени

Второй постулат выглядит парадоксальным. Действительно, мы привыкли, что если мы движемся вдогонку чему-то, то его скорость относительно нас должна уменьшаться. Но первый постулат это запрещает. То есть, как бы мы ни пытались догнать свет, мы всё равно будем видеть, как он улепётывает от нас со скоростью света.

Чисто качественно ясно, что это возможно только при условии, что наше время замедляется, когда мы гонимся за светом. И именно поэтому мы продолжаем наблюдать ту же скорость, поскольку скорость есть расстояние, делённое на время.

Однако, количественно получить точную формулу из такой ситуации не получается (потому что, кто знает, может из-за движения изменяется и расстояние?). Чтобы получить правильную количественную формулу, нужно двигаться перпендикулярно световому лучу и тогда, поскольку движение в трёхмерном пространстве состоит из трёх независимых компонент, можно быть точно уверенным, что изменение расстояний не скажется на результате. При таком рассмотрении получается, что с точки зрения движущейся ИСО свет перемещается по диагонали и отсюда вылезает теорема Пифагора и те корни, которые появляются в релятивистских формулах.

Лоренцево сокращение

Зная формулу замедления времени, уже можно получить и формулу искажений, происходящих с пространством.

Для этого рассматривают мюон, время жизни которого, если он в покое, недостаточно для того, чтобы пролететь земную атмосферу. Однако же, он её пролетает, что доказывает, что время на мюоне замедляется. Если же перейти в ИСО мюона, то для него фактор времени уже ничего сыграть не может. Но он тоже должен "увидеть", что успел пролететь толщу земной атмосферы. Следовательно, для него она должна быть тоньше.

Изменение расстояний называется лоренцевым сокращением. Его формулы оказываются очень похожими на формулы замедления времени, поскольку, в случае мюона, одно должно соответствовать другому.

Преобразования Лоренца

Но двумя вышеописанными эффектами дело не исчерпывается. Оказывается, если рассмотреть общий случай, то пространство и время искажаются согласованно, что находит своё выражение в формулах преобразования Лоренца (тут и тут).

Относительность одновременности

Оказывается, что эти эффекты можно интерпретировать как относительность одновременности. То есть, если два события одновременны в одной ИСО, они могут быть неодновременны в другой (такие события обязаны происходить в разных точках; одновременные события в одной точке — всегда остаются одновременными, так как это, по сути, одно событие). См. выпуск полёт над полем часов.

Свет не виноват

Часто ошибочно думают, что когда мы говорим, что один наблюдатель "видит" одно, а другой наблюдатель "видит" другое, то имеется в виду его зрительное восприятие. И, поскольку зрительное восприятие обусловлено светом, а скорость света конечна, то именно поэтому, якобы, возникают все эффекты теории отнистельности.

Это неправильно, свет не виноват. Под термином "видит" чаще всего подразумевается "приходит к достоверному выводу с учётом всех факторов". То есть, когда мы говорим, что некто считает два события одновременными, то это не значит, что он их видит. Часто одновременные события либо нельзя увидеть, либо можно увидеть только неодновременно. Например, есть одновременно произойдёт вспышка на Солнце и на звезде Альфа Центавра, то первую мы увидим через 8 минут, а вторую — через 4 года. Но эти события считаются теорией относительности одновременными, хотя они видны и не одновременно.

Перспективы

Ну вот. Что же дальше? Дальше мы рассмотрим представление о четырёхмерном пространстве, в котором все эффекты теории относительности получают естественное геометрическое объяснение. Лично я принял теорию относительности только после того, как познакомился с этим представлением. Кто-то из великих сказал, что истину можно узнать по её красоте. Так вот, 4-мерное представление по-особенному красиво и практически не оставляет возможности не поверить, что так всё оно и есть.

После 4-мерного представления мы рассмотрим несколько новых парадоксов, а потом я расскажу, как можно эффекты теории относительности представить в виде свойств гипотетического вещества, которые можно назвать "эфиром". Вопреки мнению многих "альтернативщиков", это вовсе не "крамола". Просто потому, что крамолы в науке не бывает, там нет догм. Отсутствие эфира — это не догма, а разумный вывод, к которому мы с вами придём ествественным путям.

Всё.

Обсудить выпуск на форуме >>

Димс.


Внимание! В рассылке могут использоваться рисунки и формулы. Если Вы их не видите, то просмотрите письмо, подключившись к интернету on-line, либо проследуйте на сайт в архив рассылок.


Теория Относительности | http://relativity.ru | editor@relativity.ru