Specialioji reliatyvumo teorija, kurią 1905 m. paskelbė Einšteinas ir yra svarbus daugelio ankstesnių hipotezių apibendrinimas, yra viena iš labiausiai atgarsių ir aptarinėjamų fizikoje.
Iš tiesų, sunku įsivaizduoti, kad objektui judant beveik šviesos greičiu, fiziniai procesai jam pradeda vykti visiškai neįprastai: jo ilgis mažėja, masė didėja, laikas lėtėja. Iškart po publikacijos teoriją imta diskredituoti, kurie tęsiasi ir šiandien, nors praėjo daugiau nei šimtas metų. Tai nenuostabu, nes klausimas, kas yra laikas, jau seniai jaudina žmoniją ir patraukė visų dėmesį.
Kas yra reliatyvizmas
Reliatyvistinės mechanikos (tai yra ir specialioji reliatyvumo teorija, toliau vadinama SRT) esmę ir jos skirtumą nuo klasikinės vaizdžiai išreiškia tiesioginis jos pavadinimo vertimas: lotyniškai relativus reiškia „santykinis“. SRT postuluoja objekto laiko išsiplėtimo neišvengiamumą, kai jis juda stebėtojo atžvilgiu.
Skirtumasšios teorijos, kurią pasiūlė Albertas Einšteinas, iš Niutono mechanikos ir slypi tame, kad visi vykstantys procesai gali būti laikomi tik santykiniais vienas kito arba kurio nors pašalinio stebėtojo atžvilgiu. Prieš aprašant, kas yra reliatyvistinis laiko išsiplėtimas, reikia šiek tiek pasigilinti į teorijos formavimosi klausimą ir išsiaiškinti, kodėl jos formulavimas išvis tapo įmanomas ir netgi privalomas.
Reliatyvumo ištakos
Iki XIX amžiaus pabaigos mokslininkai suprato, kad kai kurie eksperimentiniai duomenys netelpa į pasaulio vaizdą, pagrįstą klasikine mechanika.
Dėl esminių prieštaravimų buvo bandoma sujungti Niutono mechaniką su Maksvelo lygtimis, apibūdinančiomis elektromagnetinių bangų judėjimą vakuume ir nuolatinėje terpėje. Jau buvo žinoma, kad šviesa yra tik tokia banga, ir ją reikėtų vertinti elektrodinamikos rėmuose, tačiau ginčytis su vizualine ir, svarbiausia, laiko patikrinta mechanika, buvo be galo problemiška.
Tačiau prieštaravimas buvo akivaizdus. Tarkime, kad žibintas yra pritvirtintas prieš važiuojantį traukinį, kuris šviečia į priekį. Pasak Niutono, traukinio greičiai ir iš žibinto sklindančios šviesos turi susidėti. Maksvelo lygtys šioje hipotetinėje situacijoje tiesiog „lūžo“. Reikėjo visiškai naujo požiūrio.
Specialusis reliatyvumas
Būtų neteisinga manyti, kad Einšteinas išrado reliatyvumo teoriją. Tiesą sakant, jis kreipėsi į prieš jį dirbusių mokslininkų darbus ir hipotezes. Tačiau autorius priėjokita vertus, ir vietoj Niutono mechanika Maksvelo lygtis pripažino „a priori teisingomis“.
Be garsiojo reliatyvumo principo (tiesą sakant, Galilėjaus suformuluoto klasikinės mechanikos rėmuose), šis požiūris paskatino Einšteiną padaryti įdomų teiginį: šviesos greitis yra pastovus visuose rėmuose. nuoroda. Ir būtent ši išvada leidžia kalbėti apie galimybę keisti laiko standartus objektui judant.
Šviesos greičio pastovumas
Atrodytų, kad teiginys „šviesos greitis pastovus“nestebina. Tačiau pabandykite įsivaizduoti, kad stovite vietoje ir stebite, kaip šviesa fiksuotu greičiu tolsta nuo jūsų. Sekate spindulį, bet jis ir toliau tolsta nuo jūsų lygiai tokiu pat greičiu. Be to, apsisukdami ir skrisdami priešinga kryptimi nuo spindulio, niekaip nepakeisite savo atstumo vienas nuo kito greičio!
Kaip tai įmanoma? Čia prasideda pokalbis apie reliatyvistinį laiko išsiplėtimo efektą. Įdomus? Tada skaitykite toliau!
Reliatyvistinis laiko išsiplėtimas pagal Einšteiną
Kai objekto greitis artėja prie šviesos greičio, skaičiuojamas objekto vidinis laikas, kad sulėtėtų. Jeigu darysime prielaidą, kad žmogus lygiagrečiai saulės spinduliui juda panašiu greičiu, laikas jam išvis nustos bėgti. Yra reliatyvistinio laiko išsiplėtimo formulė, atspindinti jo santykį su objekto greičiu.
Tačiau nagrinėjant šį klausimą reikia atsiminti, kad joks masės kūnas net teoriškai negali pasiekti šviesos greičio.
Su teorija susiję paradoksai
Specialioji reliatyvumo teorija yra mokslinis darbas ir jį nėra lengva suprasti. Tačiau visuomenės susidomėjimas klausimu, kas yra laikas reguliariai, kyla idėjų, kurios kasdieniame lygmenyje atrodo kaip neišsprendžiami paradoksai. Pavyzdžiui, šis pavyzdys glumina daugumą žmonių, kurie susipažino su SRT be jokių fizikos žinių.
Yra du lėktuvai, vienas iš kurių skrenda tiesiai, o antrasis pakyla ir, aprašęs lanką artimu šviesos greičiui, pasiveja pirmąjį. Nuspėjama, kad antrojo aparato (kuris skrido beveik šviesos greičiu) laikas prabėgo lėčiau nei pirmajam. Tačiau pagal SRT postulatą abiejų orlaivių atskaitos sistemos yra vienodos. Tai reiškia, kad laikas gali praeiti lėčiau tiek vienam, tiek kitam įrenginiui. Atrodytų, tai aklavietė. Bet…
Paradoksų sprendimas
Tiesą sakant, tokio pobūdžio paradoksų š altinis yra klaidingas teorijos mechanizmo supratimas. Šį prieštaravimą galima išspręsti naudojant gerai žinomą spekuliacinį eksperimentą.
Turime pastogę su dvejomis durimis, kurios sudaro praėjimą, ir stulpą, šiek tiek ilgesnį už pastogės ilgį. Jei ištempsime stulpą nuo durų iki durų, jie negalės užsidaryti arba tiesiog sulaužys mūsų stulpą. Jei stulpas, skrisdamas į tvartą,turės greitį artimą šviesos greičiui, jo ilgis sumažės (atminkite: šviesos greičiu judančio objekto ilgis bus lygus nuliui), o šiuo metu jis yra tvarto viduje, galime uždaryti ir atidaryti duris nesulaužydami mūsų rekvizitų.
Kita vertus, kaip ir pavyzdyje su plokštuma, būtent tvartas turėtų sumažėti stulpo atžvilgiu. Paradoksas kartojasi, ir, atrodytų, išeities nėra – abu objektai sinchroniškai mažinami. Tačiau atminkite, kad viskas yra santykinė, ir išspręskite problemą pakeisdami laiką.
Vienalaikiškumo reliatyvumas
Kai priekinis stulpo kraštas yra viduje, priešais priekines duris, galime jas uždaryti ir atidaryti, o tuo metu, kai stulpas visiškai įskris į pastogę, tą patį padarysime su galine duris. Atrodytų, kad mes tai darome ne tuo pačiu metu, o eksperimentas nepavyko, tačiau čia paaiškėja pagrindinis dalykas: pagal specialiąją reliatyvumo teoriją abiejų durų uždarymo momentai yra tame pačiame taške. laiko ašis.
Taip nutinka todėl, kad įvykiai, vienu metu vykstantys vienoje atskaitos sistemoje, nebus tuo pačiu metu kitoje. Reliatyvistinis laiko išsiplėtimas pasireiškia objektų santykiuose, ir grįžtame prie absoliučiai kasdieninio Einšteino teorijos apibendrinimo: viskas yra reliatyvu.
Yra dar viena smulkmena: SRT aktuali atskaitos sistemų lygybė, kai abu objektai juda tolygiai ir tiesia linija. Kai tik vienas iš kūnų pradeda greitėti arba lėtėti, jo atskaitos sistema tampa unikaliįmanoma.
Dvynių paradoksas
Žymiausias paradoksas, „paprastai“paaiškinantis reliatyvistinį laiko išsiplėtimą, yra minties eksperimentas su dviem broliais dvyniais. Vienas iš jų kosminiu laivu išskrenda artimu šviesos greičiui, o kitas lieka ant žemės. Grįžęs astronautas brolis sužino, kad jam pačiam yra 10 metų, o jo broliui, kuris liko namuose, – net 20 metų.
Bendras vaizdas skaitytojui turėtų būti aiškus jau iš ankstesnių paaiškinimų: broliui erdvėlaivyje laikas sulėtėja, nes jo greitis artimas šviesos greičiui; negalime priimti atskaitos sistemos, susijusios su broliu ant žemės, nes ji bus neinerciška (tik vienas brolis patiria perkrovas).
Norėčiau pastebėti dar kai ką: kad ir kokį laipsnį ginče pasiektų priešininkai, faktas lieka faktu: laikas absoliučia verte išlieka pastovus. Nesvarbu, kiek metų brolis skristų erdvėlaiviu, jis ir toliau sens lygiai tokiu pat greičiu, kaip laikas praeis jo atskaitos sistemoje, o antrasis brolis sens lygiai tokiu pat greičiu – skirtumas paaiškės tik tada, kai jie susitinka, o ne jokiu kitu atveju.
Gravitacijos laiko išsiplėtimas
Baigiant reikėtų pažymėti, kad yra antras laiko išsiplėtimo tipas, jau susijęs su bendrąja reliatyvumo teorija.
Net XVIII amžiuje Mitchellas numatė raudonųjų egzistavimąposlinkis, o tai reiškia, kad objektui judant tarp stiprios ir silpnos gravitacijos sričių, laikas pasikeis. Nepaisant Laplaso ir Zoldnerio bandymų išnagrinėti šią problemą, tik Einšteinas 1911 m. pateikė visavertį darbą šia tema.
Šis efektas ne mažiau įdomus nei reliatyvistinis laiko išsiplėtimas, tačiau tam reikia atskiro tyrimo. Ir tai, kaip sakoma, yra visiškai kita istorija.
