Специальная теория относительности Эйнштейна
Объяснение специальной теории относительности
Слово “относительность” уместно, потому что, согласно специальной теории относительности, определенные величины, такие как расстояние между точками пространства и промежутки времени между событиями, различны для разных наблюдателей. Расстояния в пространстве и продолжительности времени не имеют объективно правильных значений.
Если вопрос заключается в том, насколько далеко друг от друга находятся две точки в пространстве, то правильный ответ зависит от системы отсчета, когда производится измерение.
И то же самое верно для измерений, которые включают отрезки времени. Такие величины, как эти, действительно относятся к системе отсчета. Если вы слышите об этом впервые, это почти наверняка кажется очень странным и очень нелогичным.
И это должно. Теория относительности очень странная. И это очень нелогично.
Специальная теория относительности описывает явления, которые совсем не похожи на те, с которыми вы регулярно сталкиваетесь. Люди сильно запрограммированы на интуитивное понимание того, как объекты движутся в пространстве и времени.
Это так, потому что на протяжении миллионов лет ранние люди и другие гоминиды имели больше шансов выжить и размножаться, если они могли делать такие вещи, как уклонение от хищников и поиск пищи. Это те вещи, которые можно делать лучше, если у них есть надежная рабочая концепция как пространства, так и времени.
В результате естественный отбор постепенно заставил наших предков развить полезные инстинкты и интуицию как в пространстве, так и во времени. Но никто из наших предков-охотников-собирателей никогда не мог многого добиться, понимая, как ведут себя объекты, когда они движутся со скоростью, близкой к скорости света.
У нас очень слабая интуиция для такого рода явлений, потому что она не была полезна нашим предкам. Чтобы понять эти странные и нелогичные идеи, мы не должны полагаться на свои инстинкты.
Вместо этого мы должны приучить себя думать по-другому. Это можно сделать, но для этого требуется некоторая работа.
Скорость света в действии
Давайте рассмотрим пример. Представьте, что я держу метровую палку, а вы двигаетесь ко мне в направлении, указанном метровой палкой. Проходя мимо меня, вы измеряете расстояние от одного конца до другого моей измерительной палки. Пока вы движетесь со скоростью, которая намного медленнее скорости света, вы будете измерять это расстояние равным одному метру, как и следовало ожидать.
Но если вместо этого вы пронесетесь со скоростью, сравнимой со скоростью света, вы обнаружите, что ваши измерения дают другой — и, возможно, более удивительный — результат. Например, если вы движетесь со скоростью 60 000 миль в секунду, что составляет примерно треть скорости света, вы измерите длину измерительной палочки, которая составит около 94 сантиметров, или примерно на 6 процентов короче, чем ее длина, измеренная в состоянии покоя.
Если вы двигались со скоростью 90 процентов от скорости света, она сжимается еще больше, примерно до 44 сантиметров. И при скорости 99,9% от скорости света вы измерите, что длина измерительной палочки составляет чуть менее 4,5 сантиметров.
В дополнение к пространству, в специальной теории относительности Эйнштейна происходят удивительные вещи, связанные со временем. Представьте себе механический будильник. Теперь представьте, что вы поставили будильник на один час. Любому, кто либо неподвижен, либо движется со скоростью, намного меньшей скорости света относительно часов, они измерят, что проходит час, прежде чем сработает будильник.
Но для того, кто движется со скоростью, равной трети скорости света, это займет около 1 часа и 4 минут. При скорости 90 процентов от скорости света это занимает 2 часа и 18 минут. И при скорости 99,9% от скорости света этот отрезок времени, который в системе отсчета составлял всего час, растягивается до более чем 22 часов, почти полных суток.
Путешествие во времени, парадокс близнецов
Наиболее известной иллюстрацией такого рода явлений является пример, известный как парадокс близнецов. Итак, представьте двух идентичных близнецов.
Человек вырастает, становится банкиром и остается на Земле на всю свою жизнь. Другой вырастает, становится астронавтом и путешествует со скоростью 99,9% от скорости света в далекую солнечную систему, которая находится на расстоянии 50 световых лет от нас.
Прибыв туда, она быстро разворачивается и возвращается тем же путем, которым пришла, снова двигаясь с той же скоростью, составляющей 99,9 процента от скорости света. Для тех из нас, кто живет на Земле, путешествие астронавта туда и обратно в 100 световых лет занимает чуть более 100 лет.
Но время течет по-разному в движущейся системе отсчета астронавта. Что касается астронавта, то между началом и концом его путешествия проходит всего около 4,5 лет.
Это означает, что все корабельные часы показывают, что прошло 4,5 года, а возраст астронавта составляет всего 4,5 года. Но на Земле прошло 100 лет времени и истории. И близнецы уже не одного возраста. То, что для астронавта составляло всего 4,5 года, для банкира на Земле составило 100 лет. По всей вероятности, все, кого астронавт знал перед отправлением в свое путешествие, состарились и умерли до того, как она вернулась домой.
Просто подумайте на секунду, насколько странным и впечатляющим является этот результат. По сути, астронавт в этом примере только что отправился в будущее, что делает его примером путешествия во времени.
Двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, астронавт замедлил само течение времени в своей системе отсчета, что позволило ему быстро перемещаться в будущее. Чем ближе ваша скорость к скорости света, тем быстрее вы можете перемещаться во времени.
Для чего-то, что движется со скоростью света, время вообще перестает иметь смысл. Для такого объекта все события, которые когда-либо произойдут, просто происходят одновременно. Следовательно, для луча света просто не существует такого понятия, как прошлое, настоящее или будущее. Существует только одновременная серия событий.
Чтобы обобщить эти идеи и представить их в контексте и перспективе, согласно Эйнштейну и специальной теории относительности, расстояния в пространстве сокращаются или сокращаются для наблюдателей, которые находятся в движущихся системах отсчета. И аналогичным образом время течет медленнее в движущихся системах отсчета.
Более того, чем ближе мы приближаемся к скорости света, тем более выраженными становятся эти эффекты. Эти эффекты не являются иллюзиями. Это не просто какая-то проблема с наблюдателями, неправильно измеряющими длины в пространстве или продолжительности времени.