До появления «Теории Струн», Теория Относительности была у всех на устах. Многие люди, даже не зная, что это такое, использовали данное словосочетание, зачастую ошибаясь в трактовках. Теорию Относительности разработал знаменитый физик — Альберт Эйнштейн в 1915-м году. Сегодня Теория Относительности вновь вышла на первое место. Со времен своего создания она подверглась множеству проверок, и всегда подтверждалась. Главная проблема этой теории в том, что она не соотносится с квантовой теорией. Иными словами, законы в мире больших объектов и законы в мире элементарных частиц очень разные. Поэтому многие физики мечтают объединить эти два фундаментальных течения в одно, и найти универсальную теорию мироустройства.
Что такое Теория Относительности?
Теория Относительности пришла на смену теории гравитации Ньютона. Именно поэтому она считается усовершенствованной версией своей предшественницы. Это не совсем так. В основе теории Иисака Ньютона лежала сила гравитации. Она зависела от массы объекта. Эйнштейн доказал, что никакой силы не существует. Объекты на самом деле притягиваются за счет искривления пространства-времени. Чтобы представить это, можно вообразить себе воронку на воде, в которую увлекается, например, спичка, плывущая по реке. Иными словами, массивное тело искривляет ткань пространства, а менее массивные объекты падают в эту воронку. Если поднять яблоко над землей, и отпустить его, то оно упадет вниз по прямой траектории. А, например, планеты, спутники и космические станции вращаются вокруг своих массивных объектов (звезды или планеты). Это происходит из-за инерции, которой обладают космические тела. Планеты моментально не падают на звезды, потому, что во время формирования они уже имели скорость, позволяющую находиться на орбите светила. Искусственным спутникам Земли эту скорость придают за счет тяги разгонных двигателей. Кстати, вращающиеся вокруг Солнца планеты на самом деле движутся по прямой линии, однако, искривление пространства заставляет их как будто вращаться. Являясь фундаментальной теорией, Теория Относительности охватывает огромный спектр явлений. Мы рассмотрим их по порядку в этой статье, а также кратко коснемся парадоксов и следствий теории Эйнштейна.
1. Скорость света - константа
В Теории Относительности скорость света играет одну из ведущих ролей. Скорость света является константой. Она всегда постоянна, однако может меняться, если свет распространяется не в вакууме, а в более плотной среде. Удивительно то, что скорость света не зависит от скорости источника света. Допустим, есть два автомобиля с включенными фарами. Один из них стоит на месте, относительно Земли, а другой движется со скоростью 50 км/ч. Логично было бы подумать, что скорость света фар движущегося автомобиля должна быть больше на 50 км/ч, чем аналогичный показатель покоящейся машины. Однако это не так. Свет из фар обоих автомобилей распространяется с одной скоростью.
Такой парадокс объясняется тем, что частицы, не имеющие массы не могут двигаться быстрее или медленнее скорости света. Фотоны — это и есть частицы (или волны) которые не имеют массы, и вынуждены всегда сохранять скорость в 299 792 458 м/с. Но за счет чего получается так, что свет от неподвижного источника, и свет от подвижного объекта придут в определенную точку одновременно? Все из-за тех же свойств пространства-времени. Искривления этой субстанции нивелируют разницу. Мы вернемся к этому примеру после разбора следующего парадокса.
2. Скорость объекта влияет на время
Да, как бы это не было удивительно, но, чем быстрее движется объект, тем сильнее замедляется его время. Конечно, увидеть этот эффект воочию нам не представляется возможным, но он доказан экспериментально с помощью высокоточных часов. Иными словами, время идущего человека идет медленнее, чем время человека, стоящего на месте. Если же объект мог бы двигаться со скоростью света, то его время вовсе остановилось бы. Во многих научно-популярных фильмах приводится пример двух близнецов. Один из них спокойно живет на Земле, а второй находится в ракете, движущейся со скоростью света. Когда второй близнец возвращается на Землю, он застает своего брата глубоким стариком, хотя сам астронавт все еще молод. Фотоны, двигаясь со скоростью света, вообще живут вне времени. Для этих частиц его не существует. Именно поэтому свет от движущегося и стоящего автомобилей имеет равную скорость: пространство и время подстраиваются под свет, чтобы его скорость оставалась постоянной.
3. Гравитация влияет на время
Этот эффект хорошо показан в фильме «Интерстеллар». Персонаж Мэттью МакКонахи — Купер, улетает искать планету для колонизации, оставляя на Земле свою дочь. Попадая под влияние черной дыры, астронавт замедляет свое время. Когда он возвращается домой, его дочь, которая была моложе, уже находится в преклонном возрасте, а сам Купер остается таким же молодым, каким он был до попадания под гравитационное влияние. Этот эффект — не фантастика. Как и предыдущие — он доказан в экспериментах. В условиях земной гравитации это влияние крохотно, однако, время человека, живущего на девятом этаже идет немного быстрее, чем время его соседа с первого этажа. В условиях чудовищной гравитации черной дыры, эффект становится намного нагляднее.
4. Сингулярность
Работает Теория Относительности и с гравитацией. Немецкий астроном и физик — Карл Шварцшильд, предсказал существование объектов с настолько сильной гравитацией, которые не «отпускают» даже свет. Сегодня мы называем эти объекты черными дырами. По современным представлением в центре каждой черной дыры располагается область, в которой пространство и время сжимаются в точку без объема и с бесконечной плотностью. Здесь законы физики, справедливые при нормальных условиях, перестают работать. Эта область называется сингулярностью. Предположительно из сингулярности и родилась наша Вселенная.
5. Связь энергии и массы
Даже люди далекие от физики могут помнить самую знаменитую формулу Альберта Эйнштейна (Е=МС2). Означает эта формула связь массы и энергии. По ней можно рассчитать, сколько энергии содержит в себе объект с определенной массой. Чтобы выяснить этот параметр, необходимо на место М подставить массу и умножить ее на скорость света в квадрате. Полученная величина будет означать количество джоулей энергии на килограмм вещества.
6. Масса объекта увеличивается при наборе скорости
Чем быстрее движется объект, тем больше становится его масса. Это еще одно удивительное свойство Вселенной, описанное в Теории Относительности. При достижении скорости света, масса физического тела увеличится в 41 раз.
7. При наборе скорости, объект уменьшается в размерах для стороннего наблюдателя
Представьте себе автобус, который движется со скоростью в 99% от скорости света. Предположим, что в состоянии покоя, автобус имеет длину 20 метров. Для человека внутри автобуса длина останется прежней, а для человека наблюдающего движение со стороны, длина транспортного средства сократится почти до 2-ух метров.
8. Наблюдатель и участник событий видят разную картину
В предыдущих примерах уже приводилась ситуация, описывающая это явление. В Теории относительности многое зависит от системы отсчета. Например, человек, находящийся в космическом корабле, движущемся с околосветовой скоростью пребывает в своей системе отсчета, а человек, находящийся за пределами корабля в своей. Для первого ничего не меняется, кроме замедления времени, второй видит сокращение размеров корабля. Еще один пример связан с черными дырами. Представим, что космический корабль завис над черной дырой. Один из астронавтов выходит из корабля и опускается к гравитационной аномалии, а второй наблюдает за этим падением. Первый космонавт не увидит никаких парадоксов. Если его не разорвет гравитацией, то он пересечет горизонт событий и отправится в центр черной дыры, к сингулярности. Второй космонавт — наблюдатель, увидит нечто другое. По мере приближения его напарник будет двигаться все медленнее, пока не замрет окончательно. Для наблюдателя астронавт, проваливающийся в черную дыру никогда не пересечет горизонт событий. Он будет долгое время оставаться в одном положение, пока не исчезнет. Именно поэтому в названии теории есть слово «Относительность». В теории Эйнштейна все зависит от наблюдателя и системы отсчета.
Вместо заключения
На самом деле парадоксы Теории Относительности объяснены. Альберт Эйнштейн, будучи гениальным физиком, разработал теорию, которая элегантно связывает свет, гравитацию, массу, пространство и время в одну систему, в которой изменение одного параметра приводит к изменению других. Однако, в начале прошлого века появилась Квантовая физика, которая не стыкуется с Теорией Относительности. Именно поэтому для большинства ученых современности приоритетной задачей является необходимость связать эти две фундаментальные теории в одну, которая объяснит все свойства нашей Вселенной.
