Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

Специальная теория относительности (СТО) Альберта Эйнштейна пошла против всякой логики и многим показалась полной бессмыслицей. Это физика на большой скорости — самой большой. Как же выглядит Вселенная, если наблюдатель летит со скоростью света?

Несмотря на недавнее разоблачение тайны аномального смещения перигелия Меркурия в 1905 году, Альберту Эйнштейну потребовались годы на доработку его самой известной теории — теории относительности. В полном виде общая теория относительности была опубликована в 1916 году, тогда как в статье 1905 года описывались лишь эффекты, которые имели бы место при движении с высокой скоростью, близкой к скорости света (эта статья дала начало специальной теории относительности, или СТО). Легенда гласит, что СТО родилась на десятилетие раньше, когда юноша стал задаваться вопросом: «Что я увижу, если оседлаю луч света?» Это и привело к новому, показавшемуся тогда очень странным пониманию того, как работает Вселенная.

Частица или волна?

К тому времени уже сложилось четкое представление о свете как о волне, а уравнения Максвелла для электромагнитного поля описали механизм распространения этих волн, который не требовал никакой среды. Но обычная ли это волна и можно ли преодолеть световой барьер, как Мах сделал это со звуком?

Юношеские мысленные эксперименты Эйнштейна оказались неплохой платформой для старта. Уже было известно, что свет имеет конечную и, что более важно, постоянную скорость. Если вы выберете конкретный фотон и будете лететь с ним рядом, вам может показаться, что все остальные фотоны, вылетающие из источника у вас за плечами, вы зафиксировать не сможете. А если вы обернетесь, то Вселенная покажется вам непроницаемо черной. Ведь никакой свет не сможет достичь ваших глаз. Но как быть с встречным светом? Летящие навстречу фотоны в таком случае будут пролетать мимо вас с удвоенной скоростью света.

В нашем мире такие рассуждения могли выглядеть вполне логично. Но как быть с тем, что ни в одном эксперименте не удалось зафиксировать скорость света, отличную от известной константы? Специальная теория относительности Эйнштейна 1905 года показала, что описанное выше просто невозможно, а также то, что скорость света действительно всегда постоянна.

Оказалось, что скорость источника света и наблюдателя не оказывает на скорость испускаемых или принимаемых фотонов никакого влияния, так что с точки зрения человека, несущегося с околосветовой скоростью, мир будет таким же, как и на взгляд человека, находящегося в покое.

Оказавшись в пробке, подумайте о свете, отраженном от других автомобилей. Ведь и им приходится подчиняться единому с вами скоростному режиму, совсем как фотонам

Пространство и время

Как же получается так, что собственное движение источника не влияет на скорость испускаемых квантов? Чтобы объяснить это, немецкий математик Герман Минковский несколько обновил наши представления о пространстве и времени, объединив их в единое пространство-время.

Когда объект пролетает мимо наблюдателя, пространство-время с точки зрения наблюдателя сокращается, вызывая также сокращение размеров объекта в плоскости его движения. Также будет расти масса объекта, и, как результат, потребуется больше энергии, чтобы дальше разгонять его. Если объект приблизится к скорости света достаточно близко, масса объекта начнет уходить в бесконечность, и потребуется бесконечная энергия, чтобы сделать последний шаг и достичь скорости света. Очевидно, что это невозможно. Однако СТО допускает, что объект без массы может двигаться со скоростью света, и это доказывает сам квант света — фотон, который не имеет массы покоя. Полет со скоростью, равномерно приближающейся к скорости света (с точки зрения капитана корабля), будет восприниматься замедляющимся с точки зрения стационарного наблюдателя.

Но эти изменения массы, пространства и времени останутся принципиально невоспринимаемыми для нас, что является следствием лишь одного простого постулата — постоянства скорости света относительно наблюдателя, с какой бы скоростью он ни двигался.

Медленнее и тяжелее

Перейдя к осмыслению относительного движения со скоростями, близкими к скорости света, — максимальной скорости, какую может развить материя, Эйнштейн предсказал, что время при таком движении будет замедляться. Растяжение времени означает, что в различных инерционных системах отсчета часы должны идти по-разному. Что и было доказано в 1971 году: две пары идентичных атомных часов поместили в обычные рейсовые самолеты, которые дважды обогнули земной шар, одна пара летела на восток, другая на запад. А когда их сравнили с пятыми часами, простоявшими все это время на земле, выяснилось, что в сравнении с ними вся четверка отстала на долю секунды — в согласии со специальной теорией относительности Эйнштейна.

Еще одно обстоятельство, не позволяющее переходить световой барьер скорости, состоит в том, что с увеличением скорости тела возрастает и его масса — в соответствии с E = mc². При достижении скорости света тело становится бесконечно массивным и дальнейшее его ускорение невозможно. Тело, обладающее массой, достичь скорости света и не может — может лишь приблизиться к ней, поскольку чем ближе тело подбирается к этой скорости, тем тяжелее становится и тем труднее его ускорить. Свет состоит из не имеющих массы фотонов, на которые это правило не распространяется.

Специальная теория относительности Эйнштейна радикальным образом отклонялась от того, что происходило в физике до ее появления. Эквивалентность массы и энергии шокировала физиков, да и растяжение времени и увеличение массы — тоже. И хотя во время публикации этой теории Эйнштейн был в науке никем, его статью прочитал Макс Планк, и, возможно, то, что он принял идеи Эйнштейна, и привело к их признанию, к тому, что от них не отмахнулись. Планк понял красоту уравнений Эйнштейна и постарался, чтобы Эйнштейн обрел всемирную славу.

Парадокс близнецов

Может ли растяжение времени сказываться на людях? Еще как может. Если ваш однояйцевый близнец улетит в космос на достаточно быстром корабле и на достаточно долгое время, он будет стареть медленнее, чем вы, оставшийся на Земле. Вернувшись, он увидит, что вы состарились, а вы увидите, что он на удивление молод. Это кажется невозможным, однако никакого парадокса тут нет, поскольку находящиеся в одном пространстве близнецы могут испытывать воздействие мощных сил, которые и делают такие изменения возможными. Вследствие временного сдвига события, которые представляются одновременными в одной системе отсчета, могут не выглядеть таковыми в другой. Мало того, что замедляется время, тела еще и сжимаются в направлении движения. Сами они, двигающиеся с высокой скоростью, этого не замечают, зато замечает сторонний наблюдатель.