Многие слышали об общей теории относительности, с помощью которой в 1915–1916 годах Альберт Эйнштейн изменил представление человечества о природе гравитации. Но этому научному открытию предшествовало создание специальной теории относительности. Вместе с аспирантом Нового физтеха Георгием Сизых разбираемся, как возникла эта теория, как с ее помощью человек может замедлить старение и как связаны время и пространство. А познакомится с математикой и числами, которые стоят за эффектами специальной теории относительности, вам помогут карточки в группе ИТМО «ВКонтакте».
Иллюстрации: Дмитрий Лисовский / ITMO.NEWS
Почему ученым понадобилась специальная теория относительности?
В конце XIX века у физиков накопился ряд наблюдений, которые не получалось объяснить классическими физическими теориями. Одно из них — постоянство скорости распространения света в различных системах отсчета, которое противоречило известному закону сложения скоростей. Согласно нему скорость света движущегося источника должна быть выше скорости излучения, испущенного неподвижным светилом. Основываясь на концепции эфира и факте постоянства скорости света, нидерландский физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии (1902 год) Хендрик Лоренц вывел преобразования, связывающие координаты и время в движущихся друг относительно друга системах отсчета. Они отличались от привычных нам преобразований Галилея и предсказывали новые необычные эффекты при движении тел со скоростями, близкими к скорости света. А в 1905 году Альберт Эйнштейн объединил имеющиеся к тому времени идеи и математику в единую теорию — специальную теорию относительности.
О чем эта теория?
Специальная теория относительности (СТО) кардинально меняет наше представление о том, что такое пространство и время. Теория базируется на двух постулатах. Первый — принцип относительности. Он утверждает, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) — системах, в которых все свободные тела движутся равномерно и прямолинейно. Второй постулат, принципиально новый, заключается в том, что скорость света постоянна, то есть она не зависит от выбора ИСО.
Что происходит с пространством в СТО?
Согласно Ньютону, по закону сложения скоростей тело может двигаться с неограниченной скоростью. В СТО, наоборот, есть конечная скорость — скорость света. Из-за этого у специальной теории относительности возникает много интересных и, на первый взгляд, парадоксальных следствий. Один из наиболее ярких примеров проявления эффектов СТО — сокращение длины тела. Если пассажир измерит длину движущегося вагона, для него она будет одной. Но если ее попытается измерить человек, стоящий на перроне, ему покажется, что длина вагона меньше, чем она есть на самом деле. Но все эти эффекты становятся заметны, когда движение происходит на скоростях, близким к скорости света, поэтому в повседневной жизни мы их не замечаем. Это же следствие работает и в космосе. Путешествия к далеким звездам занимают много времени, однако с точки зрения путешественников движутся не они, а все пространство пролетает мимо них. Поэтому согласно эффекту сокращения длины расстояния в этом движущемся пространстве становятся меньше, и путешественники с их точки зрения долетят до пункта назначения раньше, чем нам будет казаться с Земли.
А что произойдет со временем, если двигаться со скоростью, близкой к скорости света?
Непривычным для нас, движущихся со скоростями, значительно меньшими скорости света, будет замедление времени для движущихся тел. Например, если один человек сядет в космический корабль, который двигается с околосветовой скоростью относительно второго путешественника в другом, недвигающемся, корабле, время для обоих космонавтов будет идти по-разному. Для первого ― медленнее, чем для второго. Поэтому при встрече второй человек состарится быстрее, чем первый, летавший с огромной скоростью. Еще один пример: ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра находится на расстоянии примерно в 4,2 световых лет. Чтобы добраться до нее от Земли, потребуется примерно 4,2 года, если двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света. В то же время из-за эффекта замедления времени в системе отсчета космического корабля пройдет гораздо меньше времени. В зависимости от скорости движения транспорта это могут быть месяцы, недели или даже дни. Еще одно следствие СТО — относительность одновременности. Представим вагон поезда, в котором устройство открытия дверей выглядит следующим образом: посередине вагона стоит лампочка, которая загорается при нажатии кнопки. Как только свет от лампочки достигает датчика на дверях вагона, они открывается. Если пассажир в движущемся поезде нажмет на лампочку, обе двери в концах вагона откроются одновременно. В то же время наблюдатель на перроне увидит, что одна из дверей вагона движется навстречу свету от лампочки, а другая, наоборот, удаляется. С точки зрения наблюдателя двери вагона откроются в разные моменты времени — та, что ближе к голове поезда, откроется позже. Но при этом оба человека будут правы.
Почему важна скорость света?
Приближение скорости летательных аппаратов к скорости света может помочь развить сферу космических путешествий. Например, люди смогут полететь на более далекие планеты и галактики и достичь их за разумное время. Также скорости, близкие к околосветовым, достигаются на ускорителях частиц, например на Большом адронном коллайдере. Но ученым интересна не скорость, которую могут набрать частицы, а их энергия. Благодаря ей при столкновении уже изученных частиц (протонов, электронов и позитронов) могут родиться новые. Они расширяют наше представление об устройстве семейства элементарных частиц, как это сделало открытие бозона Хиггса в 2012 году.
Где специальная теория относительности встречается в реальной жизни?
Помимо космических путешествий и экспериментов на Большом адронном коллайдере, есть еще несколько вариантов, как ученые используют специальную теорию относительности. Например, для объяснения попадания мюонов на Землю. Это маленькие частицы, которые рождаются в верхней части атмосферы. В среднем мюоны живут 2,2 микросекунды и в теории должны распасться прежде, чем преодолеют примерно 100 километров до поверхности планеты. Но на практике частицы успешно достигают Земли из-за того, что время для них замедляется, а длина дистанции сокращается. Это наблюдение ученые могут использовать для создания мюонного ускорителя частиц. Еще один пример — это движение искусственного спутника и работа GPS. По специальной теории относительности время у быстро движущихся спутников замедляется примерно на семь микросекунд относительно наблюдателей на планете. Но общая теория относительности говорит, что бортовые атомные часы идут быстрее на 45 микросекунд, потому что спутник находится далеко от массивного объекта — Земли. Поэтому чтобы уравнять разницу в измерениях двух теорий и определять местоположение с точностью до 5–10 метров, бортовые атомные часы должны идти быстрее часов на Земле на 38 микросекунд в день.
В каких случаях специальная теория относительности не работает?
У любой физической теории есть границы, в рамках которых она работает, и СТО не исключение. Так как СТО — частный случай общей теории относительности, она не описывает движение тел в пространстве-времени, искривленном массивными объектами вроде черных дыр или Солнца.
К началу
Алёна Мамаева
Журналист
