ИЗЛОЖЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ "С.Т.О."
Относительность в классической физике
До знаменитых работ А. Эйнштейна еще в конце шестнадцатого века Г. Галилей сформулировал «первый» принцип относительности, ставший основой всей классической механики.
Этот принцип гласит, что значение и вектор пути и скорости любого тела зависит от выбранной системы отсчета. Не существует универсальной системы отсчета, не существует абсолютного движения.
Действительно, нельзя назвать абсолютную скорость с которой мы движемся. Например, сейчас вы почти неподвижно сидите за своими партами, но относительно земной оси все мы движемся с большой скоростью, в то же время и ось не покоится, ей приходится вращаться вокруг Солнца, которое движется вокруг центра галактики и т. д. Однако совершенно необязательно учитывать, что, например, автобус движется вокруг Солнца со скоростью 20 километров в секунду, если нам надо узнать, когда он приедет к нашей остановке, начав путь от предыдущей. Из принципа относительности следует, что все системы отсчета равноправны, и нам ничто не мешает принять за систему отсчета нас самих, если мы стоим на остановке, то автобус движется со скоростью 15 метров в секунду, когда мы сядем в автобус, он станет неподвижным, зато начнет движение остановка. Ничто не мешает нам сказать, что земная ось движется вокруг нас, также как и Солнце.
Однако в классической механике все остальное (время, длина, ускорение, масса, силы и т. д.) признавались абсолютными. Дальнейшее развитие физики показало, что и эти параметры также относительны.
Скорость света
Итак все скорости относительны, но рассуждения релятивистской физики начинаются с принятия одного исключения из этой относительности, был дан один непреложный абсолют: абсолютна скорость света, она инвариантна, выражаясь научным языком – ее значение не зависит от выбора системы отсчета, откуда бы мы не считали, оно всегда остается неизменным c = 299 792 458 м / с. Этот вывод был сделан эмпирически, но он был доказан сотнями самых точных экспериментов, и в его справедливости не возможно усомниться.
Приведем здесь самый простой пример таких экспериментов. Велись наблюдения за системами «двойных звезд». Нередко в космосе встречаются пары близко расположенных друг к другу звезд, связанных между собою силами тяготения как два шарика на веревке, вращающиеся друг относительно друга. Возьмите два шарика, связанные веревкой, и подбросьте в воздух, задав предварительно момент вращения. И во время падения шарики будут вращаться вокруг их общего центра тяжести. Если плоскость вращения такой вот системы двойной звезды перпендикулярна Земле, то когда одна звезда движется в нашу сторону, другая летит от нас. И если бы скорость света зависела бы от системы отсчета, то подчинялась бы закону сложения скоростей классической механики, и тогда скорость летящих к нам фотонов от приближающейся звезды была бы равна c1 = c + v0, а от отдаляющейся: c2 = c - v0, где v0 и (-v0) – скорости звезд относительно Земли, если v0 = 50 000 м / с, то c1 = 299 842 458 м / с, а c2 = 299 742 458 м / с, эта разница очень незначительная, но если бы она была, но за годы полета от таких звезд до Земли, отставание света с c2 накопилось бы уже до регистрируемых размеров, чего не наблюдается.
Этот опыт, конечно, не является строгим доказательством абсолютного постоянства скорости света и приведен здесь как легкий и иллюстративный, однако, как уже говорилось, настоящий доказательный материал, накопившийся к нашему времени не дает никакой возможности сомневаться в инвариантности света в любых условиях и в любых системах отсчета.
Именно этот факт привел к выводам впервые сформулированным молодым безызвестным сотрудником патентного бюро Альбертом Эйнштейном, которые долго оставались не признанными, но в последствии перевернули наше представление о реальности и о Вселенной.
Преобразования времени.
Сложность понимания теории относительности состоит в том, что отличие ее выводов от выводов классической физики заметно только при огромных скоростях и на огромных расстояниях, в повседневной жизни мы никак не можем заметить отклонений от классической физики, так как скорости, обычно наблюдаемые нами в сотни тысяч раз меньше.
Для облегчения понимания сути теории отречемся пока от этих гигантских цифр, представим себе реальность, где скорость света соизмерима с нашими обыденными скоростями. Например, будем считать, что в этой нашей реальности инвариантной является скорость 10 м / с, это скорость камня, брошенного мною.
Допустим, я бросила камень с этой скоростью, тогда скорость камня относительно меня и относительно вас 10 м / с. [я обращаюсь к сидящим в зале] и за одну секунду камень преодолеет расстояние 10 метров. Но если я брошу камень во время собственного бега со скоростью 5 м / с, какова будет скорость камня относительно меня? Очевидно 10 метров в секунду, ведь мы приняли, что скорость камня всегда одинакова, инвариантна. Тогда за одну секунду камень отдалится от меня на расстояние 10 метров, но надо учесть, что и сама я за эту секунду отдалилась от трибуны на 5 метров. Получается, что за эту секунду камень отдалился от трибуны на 15 метров, получается, что скорость камня 15 м / с! Но это невозможно, скорость камня инвариантна, камень может отдалиться от трибуны только на 10 метров за одну секунду, но если мы примем этот показатель, то относительно меня скорость камня будет 5 м / с. Так все же - либо скорость камня 10 м / с от меня, и 15 от трибуны, либо 10 от трибуны и 5 от меня, не так ли? Получается парадокс, который никто не мог решить пока Эйнштейн не увидел, что причина парадокса в нашем непонимании такой физической величины, как время.
Мы привыкли рассматривать время как что-то неизменяемое, во всех условиях текущее совершенно одинаково, в одинаковом направлении. В нашем мире низких скоростей оно действительно абсолютно одинаково везде, поэтому появилось понятие «временной стрелы» и представить себе искажение этой стрелы ученым не получалось еще многие годы после опубликования работ Эйнштейна, а людям далеким от науки не получается и до сих пор.
Однако приведу здесь слова самого Эйнштейна по этому поводу:
В классической физике всегда предполагалось, что часы и в движении, и в покое имеют одинаковый ритм, что масштабы и в движении, и в покое имеют одинаковую длину. Если скорость света одинакова во всех системах координат, то мы должны пожертвовать этим положением. Трудно отделаться от глубоко укоренившихся предрассудков, но другого пути нет. С точки зрения теории относительности старые понятия кажутся произвольными. Почему надо верить, как это мы делали раньше, в абсолютное время, текущее одинаково для всех наблюдателей во всех системах? Почему надо верить в неизменяемое расстояние? Время определяется часами, пространственные координаты – масштабами, и результат этих определений может зависеть от поведения этих часов и масштабов, когда они находятся в движении. Нет оснований считать, что они будут вести себя так, как нам этого хотелось бы.
Самое важное здесь - это вопрос - ну почему, почему мы так уверены, что время вездле одинаково и непреложно? Время, это один из параметров, все параметры мы принимаем, как свойства тех условий, в которых они принимаются, но только время нами обожествляется до чего-то незыблемого и неприкосновенного.
Эйнштейн с детства пытался понять, что будет, если он начнет передвигаться со скоростью, равной скорости света. Все физики мира проходили мимо этой простой истины, не дав себе задуматься над этим вопросом. Он же остановился, и подверг сомнению абсолютность времени, он поборол один из самых сильных стереотипов нашей реальности, за что по праву считается самым величайшим физиком всех времен и народов, затмившим имя Ньютона, Галлилея и Аристотеля.
Будем теперь говорить компетентно и время идущее в разных системах отсчета рассматривать отдельно. Время, текущее в системе отсчета трибуны будем называть временем ε1. Введем также время по системе отсчета ε2 (система отсчета относи-тельно меня)
Учитывая, что скорость нашего камня всегда постоянна, понятно, камень пролетел 10 метров за одну секунду по системе отсчета ε1. С точки зрения этой системы именно за одну секунду, камень отлетел от меня на 5 метров. А за какое время в моей системе камень дложен со своей скоростью пролететь 5 метров? Очевидно, что в моей системе отсчета ε2 камень может пролететь эти 5 метров за половину секунды, получается что в моей системе прошло только 0,5 секунды, когда же в моем времени пройдет секунда, и камень отлетит от меня на 10 метров, на трибуне пройдет уже 2 секунды. Получается, что при скорости системы отсчета равной половине инвариантной скорости время в ней замедляется в два раза, при приближении же скорости системы к этой предельной скорости время замедляется все сильнее, пока не остановится вовсе.
Если бы в нашей реальности скорость света действительно была бы равна 10 м / с, выводы теории относительности были бы для нас очевидны, мы на собственном опыте могли бы наблюдать, что, если посильнее разогнаться время замедляется, однако скорость света огромна, поэтому нам так трудно представить себе замедление времени.
Преобразования пространства.
Мы рассмотрели изменение хода времени в системе отсчета с изменением скорости. Но по-настоящему изменения более сложны, с увеличением скорости сжимается не только время, но и пространство. Представим себе опыт с тем же условием – скорость света 10 м / с, но двигаться со скоростью 5 м /с будет уже стержень длиной 10 м. Сначала стержень покоится, и наш камень пролетает от его начала к концу за 1 секунду, но при движении стержня со скоростью 5 м /с свет должен успеть преодолеть за секунду только половину длины стержня, это не так, с какой бы скоростью не летел стержень относительно выбранной системы отсчета свет за секунду (по этой же системе) пролетит все эти десять метров стержня. Что же получается, за секунду камень достигает конца стержня, в то время как сам стержень преодолел 5 метров, значит камень пролетел 15 метров? Нет он пролетел всего 10 метров, и стержень пролетел 5 метров, зато длина летящего стержня уже не 10 метров а только 5, и свет преодолевает за секунду эти пять метров + расстояние пройденное стержнем. В системе отсчета стержня, в которой он покоится, его длина останется 10 метров, таким образом сама единица измерения – метр изменится как и секунда.
Стоит ли говорить, что при большей скорости стержня длина его будет еще меньше и со стремлением скорости к инвариантной длина стремится к 0. Уменьшается не только длина предмета, сжимается пространство этой системы отсчета, причем сжимается в направлении скорости.
Таким образом относительно не только время но и пространство (масштабы пространства)
Все вышеописанные преобразования длины и времени называются преобразованиями Лоренца и представляют собой суть специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Она названа специальной, так как справедлива для частного случая – только для инерциальных систем т. е. для движущихся равномерно и прямолинейно – без воздействия внешних сил. Более фундаментальна общая теория относительности (ОТО), сформулированная Эйнштейном менее чем через 10 лет после СТО, которая показала также относительность масс и энергий – двух других субстанций реальности.
Кстати, у меня есть наглядная презентация к данному докладу,
кому интересно, пишите, куда знаете со своими координатами
(если я не знаю их, чтобы я не искала по профилям). Вышлю.