Предыдущий урок. Физика для чайников. Урок 5. Криволинейное движение
Теория относительности говорит о том, что наша реальность очень странная. Если вы едете на автомобиле со скоростью 60 км/ч, догоняя другой автомобиль, который едет со скорость 50 км/ч, то вы относительно него будете двигаться со скоростью 60-50=10 км/ч. Если едете навстречу, то вы будете двигаться относительно друг друга со скоростью 60+50=110 км/ч. Это понятно, логично и очевидно. Чудеса начинаются, если двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Дело в том, что ничего не может двигаться быстрее света. И не важно, в какой системе отчета. То есть, если два объекта движутся навстречу друг к другу со скоростью света, то скорость их сближения будет не удвоенная скорость света, а сама скорость света. Это противоречит здравому смыслу, но это так! Чтобы разрешить этот парадокс, физики предположили, что при движении со скоростью близкой к скорости света, время замедляется.
Кто-то скажет, что замедление времени – это чушь, мотивируя это тем, что вот прямо сейчас невозможно построить звездолет, запустить его на Альфа Центавру, а по прилету убедиться, что космонавты за время пути туда и обратно (примерно девять лет) нисколько не постарели, потому что по их времени прошла, допустим, всего одна неделя. Но можно проверить гипотезу и другими способами. Например, время жизни элементарных частиц. При изучении быстродвижущихся пионов (здесь пионы – это не цветы, а такой тип элементарных частиц), их скорость была 0,999998 от скорости света, провели эксперимент — их столкнули с протонами. Оказалось, что их период полураспада был в 637 раз больше, чем у пионов, находящихся в состоянии покоя. На нормальных, скоростях, тоже, кстати, действует замедление времени. В 1971 году Джозефом Хафеле и Ричардом Китингом проверили это при помощи пассажирского реактивного самолета и четырех комплектов цезиевых атомных часов. Их эксперимент доказал практическое действие теории относительности и эффект замедления времени. Каждый день проведенный на самолете который движется со скоростью 900 км/ч будет длиннее на 29 наносекунд, чем день проведенный на Земле.
Этот эффект учитывается и при GPS позиционировании. Там замедление времени составляет 7200 наносекунд в день, а это уже даст погрешность в позиционировании на 2,2 километра в день. И с каждым днем эта погрешность будет расти на 2,2 километра [1,2].
А еще время замедляется вблизи объектов с большой гравитацией. И это тоже подтверждено экспериментально. В частности, было продемонстрировано, что атомные часы на разных высотах (и, следовательно, в точках с различным гравитационным потенциалом) будут показывать разные времена. Эффекты, обнаруженные в таких наземных экспериментах, чрезвычайно малы, а различия измеряются в наносекундах. Относительно возраста Земли в миллиарды лет ядро Земли фактически на 2,5 года моложе своей поверхности[3].
Чтобы объяснить эффект гравитационного замедления времени, ученые выдвинули гипотезу, что гравитация искривляет пространство. И это тоже подтверждено экспериментально. В частности, если наблюдать какой-нибудь излучающий свет небесный объект таким образом, что луч света проходит вблизи какого-либо массивного объекта (звезда, галактика, скопление темной материи), то этот луч искривляется его гравитационным полем:
На практике это выглядит вот так:
Следующая статья: Физика для чайников. Урок 7. Законы Ньютона
Источники
1. Ричард Мюллер. «Сейчас. Физика времени».
2. https://habr.com/ru/post/406017/
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гравитационное_замедление_времени
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гравитационная_линза