Как понять теорию относительности
Однажды Альберт Эйнштейн ехал на трамвае. Он посмотрел на городские часы и внезапно осознал, что если трамвай разгонится до скорости света, часы покажутся ему неподвижными, а время внутри трамвая остановится.
Это озарение превратилось в один из постулатов теории относительности: различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, в том числе, расстояние и время.
Из этой статьи вы узнаете основные принципы теории относительности. Статья рассчитана на неподготовленного читателя. Выпускники физмата вряд ли узнают что-то новое и, наверняка, найдут неточности.
Направление
Начнем с самого простого.
Когда мы говорим «направо», мы имеем в виду направление нашей правой руки. Для человека, который стоит напротив нас, это будет «налево». Когда мы говорим «вниз», мы имеем в виду направление к центру планеты, когда мы на ней стоим. Для австралийцев из южного полушария низ будет там, где у нас верх.
В обычной жизни мы понимаем, что «право» и «лево» собеседника отличаются от наших, потому что ощущаем принцип относительности интуитивно.
Направление относительно
Движение
Представьте, что вы сидите в поезде, который идет со скоростью 60 км в час. Вашему соседу Герману захотелось чая, он вышел из купе и идет по вагону в обратную движению поезда сторону со скоростью 3 км в час — это скорость Германа относительно поезда.
Если мы захотим узнать скорость движения Германа относительно Земли, мы вычтем его скорость из скорости движения поезда и получим 57 км в час.
В то же время Земля летит вокруг Солнца со скоростью 30 км в секунду — это скорость Германа относительно Солнца.
Измерить скорость предмета можно только относительно другого предмета.
Еще один пример: представим, что в космосе нет ничего кроме двух космонавтов: Василия и Константина. Василий и Константин движутся навстречу друг другу с одинаковой скоростью, пересекаются и улетают вдаль.
Василий уверен, что он висит неподвижно в воздухе, а Константин пролетает мимо него. Константин уверен в обратном. Определить, кто из них двигался, а кто на самом деле был неподвижен, невозможно, пока мы не определимся с системой отсчета и не измерим движение относительно нее.
Константин и Василий воспринимают как систему отсчета самих себя. Поэтому каждый из них считает, что висит неподвижно, а другой — летит.
Движение относительно
Время
День — это один оборот Земли вокруг своей оси. Час — 1/24 этого оборота. Оборот Земли вокруг оси — это физический процесс. Чтобы измерить время, нам нужно что-то осязаемое, с чем мы сможем его сравнить: например, движение стрелки часов или тени от дерева.
Если у человека забрать часы, телефон и посадить в пустую комнату без окон, он потеряет чувство времени.
Год — это один оборот Земли вокруг Солнца. Обычный календарь одновременно указывает точку во времени и положение Земли относительно Солнца.
Время относительно
Расстояние
Представьте, что все предметы вокруг вас и вы сами стали в два раза больше.
Вы не сможете этого заметить, потому что пропорции предметов не изменились. Дерево по-прежнему выше вас в три раза, а кот по-прежнему достает вам до колен, когда просится на ручки.
Когда мы хотим измерить предмет, мы сравниваем его с чем-то другим: линейкой, рулеткой, портняжным метром.
Тот же метр в разное время ученые определяли по-разному: длиной специального маятника, 1⁄40 000 000 частью длины парижского меридиана, длиной волны изотопа криптона.
С 1983 года метр привязан к скорости света. Ученые определяют его как расстояние, которое проходит свет за 1/299 792 458 секунды.
Мы узнаем расстояние только в сравнении с чем-то другим.
Человек на картинке не заметил, что он и все предметы вокруг увеличились. Это видит только внешний наблюдатель — мы с вами.
Расстояние относительно
Скорость света
Свет ведет себя не так, как все остальное во Вселенной. Он всегда двигается с одной и той же скоростью, независимо от направления и скорости движения источника света.
Один из постулатов теории относительности: скорость света — это максимальная скорость передачи взаимодействия во Вселенной. Ничто не может двигаться быстрее света.
Теория относительности принимает это как фундаментальное свойство Вселенной и объясняет, как все происходит во Вселенной, где скорость света — максимальная достижимая скорость.
Скорость света постоянна
События
Событие — это любой физический процесс, для которого мы договорились, что он происходит в какой-то точке в пространстве в какое-то время.
Чтобы описать событие, нам нужно задать четыре координаты — где оно происходило в пространстве (широту, долготу и высоту), и время события.
Теория относительности говорит о том, что некоторые события могут быть одновременны в одной системе отсчета и не одновременны в другой системе отсчета.
Вернемся к нашим космонавтам.
Представим, что Константин и Василий находятся друг от друга на расстоянии 1 световой секунды, то есть, расстояния, которое свет преодолевает за секунду. В какой-то момент они оба, одновременно и не сговариваясь, достают из карманов фонарики и зажигают их.
Что видит Константин
Константин достает из кармана фонарик. Через секунду Василий тоже достает фонарик.
Константин зажигает фонарик. Через секунду Василий тоже зажигает фонарик.
Что видит Василий
Василий достает из кармана фонарик. Через секунду Константин тоже достает фонарик.
Василий зажигает фонарик. Через секунду Константин тоже зажигает фонарик.
Информация о том, кто зажег фонарик, распространяется со скоростью света. Поэтому мнения Василия и Константина о том, кто первый зажег фонарик, отличаются.
В таких случаях говорят, что порядок событий зависит от выбранной системы отсчета.
Порядок событий зависит от системы отсчета
Замедление времени
Теория относительности выделяет четыре измерения Вселенной: широту, долготу, высоту и время.
Все вместе они образуют пространство-время — тот самый пространственно-временной континуум из «Назад в будущее».
Когда мы не двигаемся в пространстве, мы перемещаемся по времени со скоростью света. Если мы начинаем двигаться по каким-то координатам в пространстве, скорость движения в пространстве вычитается из скорости движения во времени.
Свет передают особые частицы — фотоны. Они появились 15 миллиардов лет назад, во время Большого взрыва. Но если бы у фотонов были часы, которые тикали с момента их появления, на них все еще было бы 0:00.
Дело в том, что фотоны движутся в пространстве и времени с одинаковой скоростью — скоростью света. Если вычесть скорость их перемещения в пространстве из скорости движения во времени, получится ноль. Время для фотонов стоит.
Скорость, с которой перемещаются люди, намного меньше скорости света, поэтому в обычных условиях мы не замечаем замедления времени.
Чем быстрее движется объект, тем медленнее течет его время
Повторим
Направление, время, движение и расстояние относительны, то есть, зависят от системы отсчета, в которой находится наблюдатель
Скорость света — максимальная скорость во Вселенной. Она постоянна и не зависит от скорости источника света.
Событие — это физический процесс, который происходит в определенном месте в определенное время.
Одни и те же события могут быть одновременными в одной системе отсчета и не одновременными в другой. Порядок событий зависит от системы отсчета.
Неподвижные объекты движутся во времени со скоростью света.
Когда объект двигается в пространстве, его скорость вычитается из скорости, с которой он движется во времени.
Чем быстрее движется объект, тем медленнее течет его время.