Часто люди задают вопрос: если на самом деле окружающий нас мир живёт по законам физики Эйнштейна, то почему мы не наблюдаем релятивистских эффектов в быту? На этот вопрос можно ответить довольно кратко: чтобы проявлялись видимые эффекты, необходимы более высокие скорости, чем мы привыкли наблюдать. Но не всех это убеждает. Кажется, что наш опыт даже на доступных нам скоростях должен убедительно свидетельствовать о том, что эффекты невозможны и не имеют смысла. Так ли это?
Давайте же попробуем представить величину потенциальных релятивистских эффектов, а также способ, которым мы могли бы их обнаружить. Для этого нам нужны две более-менее быстрые системы отсчёта, также нужно придумать метод наблюдения за ними достаточной точности.
В качестве таковых я предлагаю взять движущийся автомобиль, из которого на полной скорости производится выстрел из ружья. Для наблюдения за полётом пули будем использовать видеокамеру с достаточно высоким разрешением, чтобы увидеть смещение пули от ожидаемого. Поставим мысленный эксперимент, в котором можно оценить этот процесс, и определим минимальные параметры такой камеры.
Пуля, выпущенная из ружья, может достигать скорости 1000 м/с. Возьмём эту величину как ориентир. В качестве скорости автомобиля я предлагаю взять 180 км/ч. Это достаточно быстро (хотя гоночные болиды могут разгоняться до более высокой скорости), в то же время это число довольно легко перевести в те же единицы, что мы используем для скорости пули: 180 км/ч = 3 км/мин = 50 м/с.
Представим себе камеру с шириной наблюдений в 1 м. С учётом скорости пули, можно увидеть, что это расстояние будет преодолено за 0.001 с. Чтобы пуля попала в кадр хотя бы один раз, нужно, чтобы fps камеры составлял не менее 1/0.001=1000 кадров в секунду. Однако этого достаточно лишь для гарантированного попадания в кадр хотя бы один раз. Чтобы заметить отличие предсказания классической физики от релятивистской, нужно также, чтобы разрешение камеры было достаточным для идентификации предполагаемой разницы наблюдений. Вычислим же эту разницу и определим необходимое разрешение.
- Предсказание ньютоновской физики: скорость пули составит 1050 м/с.
- Предсказание эйнштейновской физики: скорость пули составит 1049.9999999994166 м/с.
Таким образом, нам необходимо, чтобы камера смогла зафиксировать разницу в 0.0000000005834 м, или 0.5834 нм (воистину, нанотехнологии!). Для сравнения, расстояния между атомами в веществе могут составлять десятки и сотни нанометров.
С учётом ширины наблюдений в 1 метр, нужно, чтобы горизонтальное разрешение кадра составляло 1/0.0000000005834=1714089818 пикселей. Прямо скажем, не просто много, а невероятно много! Даже если мы видимую область кадра сократим до 1 мм, то нам всё равно потребуется как минимум 1714090 пикселей. Кадр 4:3 такой ширины будет иметь разрешение 2.2 терапикселей. До кучи, нам придётся ещё и увеличить fps в 1000 раз, чтобы успеть поймать пулю в этом миллиметре. Миллион кадров в секунду - как тебе такое, Илон Маск?
Оптические технологии тут не помогут в любом случае. Придётся использовать электронный микроскоп. Но существуют ли электронные микроскопы такого безумного разрешения, способные ещё и выдавать миллион кадров в секунду? Это мы ещё не обсуждали потребности к скорости шины передачи данных и необходимой тактовой частоте процессора камеры, чтобы переварить такой поток данных.
Если же вместо выстрела из ружья из быстро едущего автомобиля взять что-то более медленное, то величины эффектов опустятся до субатомных размеров.
В общем и целом, непосредственно ощутить релятивистские эффекты в быту примерно так же легко, как почувствовать испарение одного слоя атомов с поверхности своей кожи. То есть вообще без шансов.
