Мы уже говорили о некоторых следствиях из общей теории относительности (см. статью «Телепортация и машина времени»), упомянув, что ее часто путают со специальной теорией относительности. Значит, во-первых, следует разобраться с досадной путаницей в этих названиях, и вспомнить, что каждая из этих теорий представляет собой. Заметим, что обе эти теории идут вразрез с нашей обыденной «физической интуицией» и имеют парадоксальные, очень интересные и далеко идущие следствия.

     Общая теория относительности Эйнштейна – это одна из знаменитейших научных теорий прошлого века. Несмотря на то, что она опубликована уже почти 100 лет назад, в 1916 году, ее название до сих пор остается «на слуху» в массовом сознании, а ее результаты — «на плаву» в науке. Вкратце, суть теории сводится к следующему. То, что мы воспринимаем, как силы гравитации, на самом деле есть следствие искривления пространства-времени: материя искривляет пространство-время, а искривленное пространство-время, в свою очередь, определяет движение материи. Мало кто, даже из состоявшихся ученых, способен вполне разобраться в сложной математике, необходимой для описания этой теории.

     А то, что обычно называют «теорией относительности Эйнштейна» — это специальная теория относительности, и по степени математической сложности она вполне доступна для первокурсника. Одна из основных ее идей в том, что скорость света остается неизменной вне зависимости от того, в какой системе отсчета ее измеряют. Отсюда следует, что если источник света летит к нам, то его свет не летит в нашу сторону быстрее, а если источник света улетает от нас, то его свет не летит к нам медленнее.     

     Это полностью противоречит нашему ежедневному опыту в области сложения скоростей. Например, космический корабль «Восток», пронесший Юрия Гагарина вокруг Земли, стартовал и летел в восточном направлении. И сделано это было вовсе не ради того, чтобы оправдать название корабля, а для экономии затрат: наша планета вращается вокруг своей оси с запада на восток, и скорость вращения у поверхности прибавляется к скорости ракеты: таким образом проще разогнаться до первой космической скорости, которая необходима для занятия околоземной орбиты. Эта скорость вращения поверхности Земли составляет порядка нескольких сот метров в секунду, и пренебречь ею значило бы заметно увеличить расход горючего. В случае света, однако, все не так. Его скорость останется неизменной, куда бы мы ни направили фонарик, на восток или на запад. Как ни странно, эксперименты показывают, что это действительно так.

     Однако, вводится этот странный постулат в специальной теории относительности не только ради объяснения экспериментальных данных, но и ради сохранения единства законов природы во всех  инерциальных системах отсчета. Ведь свет – это электромагнитная волна, и если бы скорость его распространения менялась при переходе из одной системы отсчета в другую, это означало бы, что в разных системах отсчета – разные законы электродинамики. Как видим, причины возникновения постулата, несмотря на всю его странность, достаточно уважительные. Но вот следствия из постулата оказываются еще более странными, чем сам постулат.

     Если в классической физике Галилея-Ньютона относительными были скорости, то в новой физике ради того, чтобы скорость света в вакууме была абсолютной константой, пришлось сделать относительными пространство и время. Незыблемые и абсолютные в классической физике, в новой физике они оказываются разными в зависимости от системы отсчета. Проявляются эти различия тем больше, чем с большей скоростью движется одна система отсчета относительно другой. В результате в разных системах отсчета один и тот же предмет имеет разную длину, а время течет с разной скоростью, так что события, одновременные в одной системе отсчета, оказываются неодновременными в другой. И это только начало.

     Самый знаменитый пример странных следствий специальной теории относительности – «парадокс близнецов». Заметим, что далеко не все точно понимают, в чем именно его парадоксальность. Многие полагают: все дело в том, что близнец, слетавший к далекой звезде на корабле, движущемся с околосветовой скоростью, будет моложе своего брата. Да, это странно с точки зрения повседневного опыта, но противоречия в теории здесь еще не заметно. Но оно станет очевидным, если вспомнить об относительности движения. С точки зрения близнеца, оставшегося на Земле, с околосветовой скоростью двигался брат на корабле. А с точки зрения близнеца на корабле – с околосветовой скоростью двигался его брат вместе с Землею. У кого же из них время текло медленнее, и кто из них должен был остаться моложе? Именно в этом и состоит парадокс.

     Разрешение этого парадокса выводит нас за рамки специальной теории относительности, которая ничего не говорит об ускоряющихся системах отсчета, но описывает только системы, движущиеся с постоянной скоростью (инерциальные). Действительно, для того чтобы набрать околосветовую скорость, космическому кораблю с одним из близнецов нужно ускоряться, как и для того, чтобы развернуться и полететь назад. Следовательно, системы отсчета близнецов неравноправны, так как одна из них неинерциальная, и простое применение специальной теории относительности здесь невозможно.

     Еще одно широко известное положение специальной теории относительности – уравнение связи массы и энергии: E = mc2. Это самое распиаренное уравнение физики означает, что энергия может превращаться в массу, а масса в энергию. Так что некоторые ученые даже интерпретируют массу, как еще одну форму, которую может принимать энергия. И это опять намек на выход за рамки специальной теории относительности. Переносчиком энергии является излучение, невесомые фотоны. Массой же обладает вещество, создающее вокруг себя гравитационное поле. Уравнение Эйнштейна подсказывает, что невесомое излучение не должно быть независимым от массивного вещества! И в общей теории относительности есть положение о том, что путь светового луча искривляется в присутствии массивных объектов, то есть в гравитационном поле.

     В связи с последними событиями, нас здесь больше будет интересовать специальная теория относительности, с ее запретом на движение со сверхсветовой скоростью. Как видим, этот запрет есть следствие абсолютизации величины «с» – скорости света в вакууме. Почему же скорость света должна быть абсолютной константой, ради которой относительными стали пространство и время? Как уже сказано, это нужно для сохранения единства законов электродинамики, в которые входит скорость света, как константа. Итак, понятно, почему специальная теория относительности пришла на смену механике Галилея-Ньютона: для непротиворечивого включения в физику нового класса явлений, которых классическая ньютоновская механистическая картина мира просто не могла охватить.

     Заметим, что Ньютон пытался объяснить природу света с помощью представлений о механическом движении материальных «корпускул» — частиц света, как бы маленьких шариков, вылетающих из источника, и, после удара об освещенный предмет, — отлетающих в глаза наблюдателя. Нам сейчас кажется наивной эта попытка описать совершенно новый вид явлений на базе старой теории, ограниченной явлениями другого типа. Но чем в этом отношении «новая» физика лучше «классической»? В ней заметно то же стремление выдать общепринятую в данный момент научную картину мира за всеохватную  истину, вне которой ничего нет.

     Благодаря огромному количеству фантастической литературы и фильмов, популяризующих специальную теорию относительности Эйнштейна, некоторые его идеи прочно вошли в массовое сознание: невозможность достижения скорости света, парадокс близнецов, отсутствие «абсолютного» пространства и времени из классической физики. В научном же мире идеи Эйнштейна давно стали «золотой классикой», глубоко вошедшей в сознание ученых-физиков. Можно сказать, что специальная теория относительности играет огромную роль в формировании мировоззрения большинства из них, впитывается ими «с молоком матери», и кажется незыблемой, как скала. Поэтому-то недавние сообщения о превышении скорости света вызвали такой интерес.

     А ведь всего сто лет назад теория Эйнштейна была наиболее революционной, ломающей старую, классическую идеологию. И совсем уже мало кто помнит, что сама «классическая» физика Ньютона в свое время тоже совершила переворот в науке, отправив на покой аристотелевскую картину мира, устраивавшую всех более полутора тысяч лет!..

     Но как мы уже говорили, больше всего в научных революциях удивительно то, что каждый раз теория, совершившая переворот, сама становится своего рода тираном, с которым приходится бороться последующим поколениям ученых-новаторов. Поражает та самоуверенность, с которой каждый раз провозглашается: ну, теперь-то в этом мире все объяснено, и наша теория – окончательно верна. Между тем как, по выражению Ньютона, огромный океан истин перед нами остается совершенно непознанным.

     Покончив на этом с теорией относительности, в одной из следующих статей мы продолжим обсуждение нашумевших экспериментов по сверхсветовому движению нейтрино. Нам предстоит рассмотреть, что же такое само по себе движение , и что такое скорость: какие идеи на этот счет существовали до Эйнштейна, и каких изменений в этом вопросе можно ожидать, если его теория относительности будет экспериментально опровергнута.

GD Star Rating
loading...
Быстрее скорости света. Часть 3: Специальная теория относительности, 9.3 out of 10 based on 4 ratings

Добавить комментарий