Теория относительности для чайников (часть 1)
[музыка] Всем привет! Меня зовут Дмитрий Побединский. Я рад приветствовать вас на портале КРТИ, где не скучно и интересно. Можно узнать о науке и технологиях.
Представьте себе, что все научные теории были бы суперзвёзды. Самое известное - это теория относительности. Так чем же она такая особенная и как завоевала такую популярность? Просто она ликвидировала практически все несостыковки физики того времени, заставила в корне поменять представление о структуре пространства-времени и, прекрасно согласуя с экспериментом, легла в основу новых современных физических теорий. По сути, это мама современной физики.
Ну что, разве этого недостаточно для такой популярности? Для начала стоит отметить, что существуют две теории относительности: специальная, которая рассматривает физические процессы в равномерно движущихся объектах, и общая, которая рассматривает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение гравитации. Понятное дело, что специальная появилась раньше и по сути является частью общей. О ней и поговорим в первую очередь.
В основе этой теории лежит принцип относительности, согласно которому любые законы природы одинаковы относительно неподвижных и относительно движущихся с постоянной скоростью тел. Казалось бы, так просто. Однако из этого следует, что скорость света - очень большая величина, одинаково для всех тел.
Ну вот, например, представьте, что вам подарили супер-мега космический корабль, который может летать с огромной скоростью. На носу корабля установлена лазерная пушка, которая может стрелять вперёд фотонами "пиу-пиу". Относительно корабля они летят со скоростью света. Однако относительно неподвижного наблюдателя, казалось бы, они должны лететь быстрее, потому что к ним вроде должна добавляться скорость корабля. Однако на самом деле этого не происходит, и сторонний наблюдатель видит фотоны, летящие со скоростью света, как будто бы скорость корабля к ним не добавлялась.
Относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, с какой бы скоростью оно не двигалось. И из этого следует, ну просто крыше сносях выводы!
Первое - замедление времени. Представьте себе, что вы очень счастливый человек, и вашему другу тоже подарили супер-мега космический корабль. Вы летите с одинаковыми скоростями на небольшом расстоянии друг от друга. Допустим, вы захотели прикольнуться над другом и посветить ему в глаза лазерным указателем. Тогда с вашей точки зрения, если скорость света умножить на время прохождения светового импульса, то получится расстояние между кораблями.
Но с точки зрения неподвижного наблюдателя свет двигался по наклонной траектории и преодолел больший путь. И что самое главное, двигался он с той же скоростью, значит, ему для этого потребовалось больше времени. Обратите внимание, получается прямоугольный треугольник, и мы можем воспользоваться старой доброй теоремой Пифагора. Из полученной формулы выразить соотношение времён и получается, что на одно и то же действие с точки зрения движущихся объектов время нужно меньше, чем с точки зрения неподвижных.
Получается, что в движении время замедляется, и чем быстрее мы движемся, тем сильней этот эффект. Но вот видите, предположив, что скорость света постоянна и использовав только теорему Пифагора, мы доказали то, что 100 лет назад просто взрывало мозг лучшим физикам планеты.
Конечно, же не стоит забывать, что на малых скоростях этот эффект проявляется ничтожно слабо. Однако очень точные эксперименты, в которых атомные часы сутками летают на самолёте вокруг Земли, это подтверждают.
Второе: оказывается, по ходу движения предметы сокращаются в размерах, причём в такое же количество раз, во сколько там замедляется время. Например, если я буду двигаться со скоростью 280.000 км в секунду, я буду в три раза тоньше, чем обычно. Так что бегайте быстрее - будете стройнее! Ну, чуть-чуть, совсем чуть-чуть.
Третье: события, одновременные с точки зрения подвижного наблюдателя, будут происходить в разный моменты времени относительно неподвижного. Действительно, представьте себе, что спереди и сзади космического корабля есть габаритные огни, которые загораются при попадании на них светового сигнала, который посылается из центра корабля. Относительно корабля лампочки загораются одновременно.
Но относительно неподвижного наблюдателя световой сигнал движется влево и вправо с одинаковой скоростью. А значит, задняя загорится быстрее, чем передняя. Так что одновременность - это тоже понятие относительное.
И наконец-таки: масса и энергия. Согласно теории относительности, при движении масса тел увеличивается и на около световых скоростях вплоть до бесконечности. Именно поэтому невозможно массивное тело разогнать до скорости света, ведь для этого не хватит никакой энергии. Так могут двигаться только [музыка] безмасляние.
Потенциально существует полная энергия тела, которая рассчитывается вот так, и если тело покоится, то эта формула образуется в ту самую, которая является чуть ли не символом теории относительности. Это энергия покоя, она существует у каждого тела, даже у вашего. Можете её рассчитать. Проблема в том, что извлечь эту энергию достаточно трудно, ведь для этого масса должна куда-то исчезнуть.
Но это как раз-таки и происходит в ядерных реакциях: там масса продуктов реакций чуть-чуть меньше, чем масса изначальных реагентов, и вот эта потеря массы и превращается в колоссальную энергию. Бу! Вот видите, какие удивительные открытия позволила сделать теория относительности.
А на этом не всё! В следующем выпуске мы поговорим о парадоксах и общей теории относительности. А пока что ставьте лайки, подписывайтесь на наш канал, чтобы как минимум не пропустить следующий выпуск. И спасибо за просмотр! [музыка]