.
Меню сайта
|
От механики классической к механике релятивистскойОт механики классической к механике релятивистскойВ этой статье мы не пересказываем школьный курс механики. У нас задача другая: показать, как следует рассматривать движения механических тел в пространстве и во времени. Особое внимание мы обратили на некоторые интересные случаи механических движений. Хотя механика самый старый раздел физики, в ней за последние полвека появилось много нового и неожиданного. Это новое и неожиданное возникло в связи с углубленным изучением таких важнейших физических понятий, как пространство и время. Разбирая силы тяготения, мы уже отметили, что Эйнштейн объяснил их не столько свойствами притягивающихся материальных тел, сколько свойствами окружающего их пространства. По существу, Эйнштейн воедино связал пространство, время и материю. Это вполне соответствует принципу диалектического материализма: пространство и время — формы существования материи и от нее неотделимы. Зависимость свойств пространства от присутствия материи Эйнштейн обнаружил позже, чем зависимость от движения наблюдателя. Вот как это было. Ньютон в своей «Механике» допускал существование абсолютного пространства и абсолютного времени. Он писал: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным»; «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Ньютон не указал, откуда берутся абсолютные пространство и время и как их обнаружить. Просто предполагалось, что вся Вселенная погружена в некую неподвижную пустоту, которая и есть абсолютное пространство, и в этой пустоте равномерно течет абсолютное время. Если это так, то тогда следовало бы найти способ, как измерять движения тел, используя систему отсчета, связанную с абсолютным пространством. Такая система выгодно отличалась бы от инерционных систем, которые, как мы видели, все относительны. Но как обнаружить это абсолютное пространство? Какое явление природы может указать на то, что оно существует? Предполагалось, что на это указывает распространение света в пустоте. Действительно, чтобы свет звезды дошел до земного наблюдателя, он должен пройти миллионы и миллиарды километров в космическом пространстве, где плотность материи ничтожна. Свет лучше всего распространяется там, где ему не мешает непрозрачное вещество, и можно думать, что «родная стихия» для света — именно пустое пространство. Это предположение надо было проверить экспериментом. Если луч света распространяется в абсолютном пространстве, то можно установить, что его скорость различна для разных наблюдателей. Другими словами, здесь также должны быть справедливыми преобразования Галилея, как и для всякого механического движения. Двигаясь навстречу световому лучу, мы должны измерить большую скорость, чем при движении вдоль него. Тогда, по аналогии с механическим движением, мы сделали бы вывод, что при движении вдоль луча со скоростью света наблюдатель увидел бы этот луч неподвижным. В конце прошлого века было поставлено множество опытов, определявших скорость света при разных условиях: и когда он идет навстречу к наблюдателю и когда он уходит от него. Наиболее точный опыт впервые поставил американский ученый Майкельсон в 1881 г. В этом и во всех дальнейших экспериментах результат был один и тот же: скорость света остается постоянной и не зависит от движения наблюдателя (или источника света). Этот вывод резко противоречил всему, что было известно в классической механике. Если мы двигаемся навстречу автомобилю, его скорость складывается с нашей; если двигаемся от него, то вычитается. А вот со светом получается иначе. Двигаемся ли мы навстречу световому лучу или убегаем от него, в любом случае его скорость относительно нас остается одной и той же: округленно — 300 000 км/сек! Было сделано много попыток объяснить такое странное явление, но все они оказались неудовлетворительными. Только у Эйнштейна хватило научного мужества заявить, что здесь мы имеем дело с новым законом природы: скорость света есть инвариантная величина, не зависящая от движения наблюдателя. Простые алгебраические расчеты показывают, к каким революционным изменениям в наших представлениях о пространстве и времени привело это, казалось, «простое» утверждение. Пусть, как и раньше, мы имеем две системы отсчета: одну — неподвижную и вторую — двигающуюся относительно первой со скоростью v, как только подвижный и неподвижный наблюдатели оказываются рядом, вспыхивает световой сигнал. Согласно Эйнштейну, скорость распространения этого сигнала одинакова и в первой и во второй системе отсчета. Путь, пройденный светом в первой системе отсчета, будет: х=ct, путь, пройденный светом в подвижной системе, будет: x1=ct1 (с=300000 км/сек). Легко показать, что преобразования Галилея несовместимы с законом постоянства распространения света. Действительно, по Галилею, х1=х-vt1, и, следовательно, х1=(с-v)t1, т. е. в подвижной системе отсчета скорость света получается иной, что противоречит закону независимости скорости света от скорости наблюдателя. Предположение Эйнштейна, что скорость света не зависит от скорости источника или наблюдателя, было тщательно проверено. Выводы оказались почти фантастическими. Оказывается, преобразования Галилея верны лишь приблизительно, их можно применять, когда скорость наблюдателя во много раз меньше скорости света. Но если наблюдатель будет двигаться с огромной скоростью, приближающейся к скорости света, начнут проявляться такие явления, о которых классическая механика и не подозревала,— так называемые релятивистские эффекты. Во-первых, с точки зрения неподвижного наблюдателя геометрические размеры всех пролетающих мимо него тел изменяются: в направления движения они сокращаются, «сплющиваются». Например, при очень большой скорости пролетающий мимо шар превратится в плоский блин. Во-вторых, и это, пожалуй, самое неожиданное, время у двигающегося наблюдателя идет медленнее, чем у неподвижного (рис. 8), при этом чем больше скорость, тем больше замедляется время. Если бы можно было достичь скорости света, время в полном смысле этого слова остановилось бы! В-третьих, масса двигающихся тел тоже оказывается не постоянной, а растет вместе со скоростью. Из теории относительности следует важный вывод о предельном значении скорости света. Тела не могут двигаться быстрее света. Не следует думать, что выводы теории относительности — фантастика. Увеличение массы двигающихся тел начинает играть существенную роль в ускорителях ядерных частиц. При конструировании этих ускорителей уже принимают специальные меры, чтобы преодолеть возрастающую инерцию разгоняемых ядерных частиц, им придают дополнительную энергию. В ядерной физике было доказано и замедление времени. Оказалось, что неустойчивые частицы — мю-мезоны, которые обнаруживаются в космических лучах, живут дольше, чем мю-мезоны, полученные в ускорителях. Удлинение их жизни объясняется тем, что из-за большой скорости движения их время течет медленнее, чем время у их земных двойников. В эпоху космических полетов вывод теории относительности о замедлении времени для быстро двигающихся тел может приобрести практическое значение. Ведь если двигаться достаточно быстро, то за время жизни человека можно посетить самые отдаленные уголки Вселенной! Подсчитано, что при скоростях, близких к скорости света, можно побывать у далеких звезд, находящихся от Земли на расстоянии в несколько миллионов световых лет, например в туманности Андромеды, и вернуться обратно. Самым удивительным окажется то, что за время путешествия такого «субсветового» космического корабля на Земле время будет течь обычным темпом и пройдет несколько сотен, тысяч и даже миллионов лет! Вполне мыслима и такая ситуация, когда отправившийся в «ближний» звездный полет отец вернется на Землю и обнаружит, что его сын старше его. Теория относительности предсказывает, что не только ход часов, но и скорость течения всех физических процессов на скоростном космическом корабле будет замедлена. А это значит, что путешественники никак не смогут заметить те удивительные превращения, которые произойдут с ними и со всем, что их окружает. Правда, ученые все еще спорят: замедлится пли не замедлится в космическом корабле, двигающемся с фантастической скоростью, само течение жизни. Сейчас ответить на этот вопрос очень трудно. Будущие эксперименты в космическом пространстве, может быть, прояснят и эту интересную проблему. Многие волнующие загадки, связанные с выводами теории относительности, были бы решены, если бы удалось построить аппарат, двигающийся с околосветовой скоростью. На Земле нет еще топлива, которое могло бы так разогнать корабль. Такая скорость была бы у космического корабля, если бы силу его тяги создавал ... поток света. Это так называемые фотонные, или аннигиляционные, двигатели. Их конструкцию и принцип действия пока что пытается предсказать только научная фантастика.
|
ПОИСК
Block title
|