Всем привет, народ!
Это подкаст Звездануло, в котором я перевожу науку на человеческий язык.
Традиционный ютуб:
И Яндекс.музыка:
Снова у нас эксперимент. Сильно не ругайтесь, я правда думаю, что это может сделать подкаст сильно лучше.
Итак, сегодня с нами Шубуршунчик.
Всем привет! Меня зовут Эвелина и я здесь для того, чтобы задавать всякие разные вопросы, чтобы подкаст стал более простым и понятным для людей, а не для тебя.
Я подготовил классический выпуск, в который ты будешь вклиниваться с вопросами.
Для чего это делается? Всё довольно просто. Каждый новый выпуск я стараюсь читать тебе ДО публикации. Ты задаёшь вопросы, которые показывают мне, где я объяснил недостаточно хорошо. Обычно, я переписываю текст, или оставляю как есть, но в результате теряется много интересного. И я хочу как раз эти наши обсуждения вытащить в подкаст, чтобы его немножко оживить и чтобы был, скажем так, аватар, кому именно переводить с того самого научного на человеческий.
Ребят, если вам понравится такой формат – обязательно дайте нам знать. А ещё можно поддержать подкаст материально, чтобы мы разжились вторым микрофоном и записывали сразу две дорожки.
Ну ладно, довольно долгое вступление.
Кто не читал описание выпуска-не удивляйтесь. Выпуск будет действительно про отношения. Или относительность. Помните, я вам обещал разобрать теорию относительности? Вот и пришло время.
Дядька Эйнштейн запилил аж три термина, включающих в себя относительность. С ними и познакомимся сегодня. Будет довольно много перекличек с прошлыми выпусками, так что не удивляйтесь, если услышите знакомые формулировки.
Буду разбирать в том порядке, в котором это будет более-менее связно, поэтому начну с принципа относительности. Это и есть то, с чего всё более-менее началось. Фундаментальный принцип, который сформулировал Эйнштейн. Он говорил, что все физические процессы проходят одинаково, что в неподвижной системе отсчета, что в системе, которая движется прямолинейно и равномерно. Вообще, этот закон ещё Галлилей начал, но он говорил только про законы механики, а Эйнштейн эту идею распространил на все физические процессы.
То есть, Галиллео говорил о том, что законы механики работают одинаково как в лаборатории, которая находится в стоящем здании, так и в лаборатории в вагоне, скажем, поезда. А Эйнштейн сказал, что вообще все законы физики будут одинаково работать: хоть оптика, хоть электродинамика хоть что. С какой бы скоростью ни ехал поезд, если он едет без ускорения или торможения, если он не поворачивает никуда, то есть, если движется прямолинейно и равномерно – результаты экспериментов будут одинаковы, законы физики будут работать одинаково и так далее. А если вы уснёте в поезде, который будет абсолютно изолирован от внешнего мира – вы даже не поймёте, едете вы, или стоите, когда проснётесь.
А если поезд поворачивает, или стоит?
Ну, смотри, если поезд повернётся, начнёт тормозить, или ускоряться – он станет причиной инерции всякой. Начнёт шатать экспериментатора и всё, эксперимент не удался уже, считай. То есть, в таком случае просто добавится ряд сил, которые будут влиять на нас и мы сможем понять, что мы едем.
А теперь давайте представим, что мы движемся на поезде со скоростью в половину скорости света? Думаете, теперь у нас свет будет в два раза медленнее двигаться относительно нас? Фиг вам. Максвелл, говорил, что скорость света – это предел скорости чего бы то ни было в электромагнитном поле в вакууме? Так вот, тут вступает Эйнштейн. Раз это закон природы – он точно так же действует и на нас в поезде, и на стороннего наблюдателя. То есть, свет, получается, двигается с одинаковой скоростью для любого объекта, что стоячего, что ползучего, что путешествующего со скоростью в 99 процентов от скорости света. Как это получается? В выпуске, кажется, про скорость света, я уже рассказывал про лоренцевы сокращения длины и времени. Чем сильнее мы ускоряемся, тем короче мы становимся. Это называется лоренцевым сокращением длины. И мы сокращаемся ровно с той скоростью, которой недостает свету, чтобы сохранить свою постоянную скорость. То есть, если мы движемся вперед со скоростью в половину скорости света, то мы и сокращаемся со скоростью в половину скорости света. Всё больше и больше.
Преподаватель Эйнштейна, Минковский думал, что никакой странности нет. Он считал, что пространство нужно рассматривать в совокупности со временем, то есть, говорил, что мы живём не в трёхмерности, а в четырёхмерности: три пространственных измерения и одно временное.
И никакого сокращения длины нет. Просто изменяется проекция четырёхмерного объекта на трёхмерное пространство. Как это понять? Как тень. Если мы будем стоять ровно, то тень будет одних размеров, а если мы наклонимся в сторону тени, или от неё – тень свои размеры поменяет. Примерно так же поменяет свои размеры любой объект, если будет двигаться. В этой аналогии чем больше мы наклоняемся, тем большую скорость развиваем или в пространстве, или во времени. То есть, чем больше мы двигаемся в пространстве – тем меньше мы двигаемся во времени. Это будет похоже на график с осью пространство и время. И любой объект будет изображен на этом графике как линия, у которой есть тень на оси пространства и тень на оси времени. Каждая из этих теней будет показывать скорость движения на каждой оси, грубо говоря.
Сложновато. Если скорость движения в пространстве мы понимаем, то скорость движения во времени… В нашем мире мы двигаемся во времени со скоростью одна секунда в секунду. И секунда в нашем определении величина просто нами придуманная, а не абсолютная. Так вот, если мы будем перемещаться по пространству быстрее, то есть изменим угол наклона нашей четырёхмерной линии в сторону пространства, то мы откусим часть скорости нашего движения во времени и будем проходить одну секунду во внешнем мире не за секунду нашего времени, а за половину, скажем. Очень грубо, но теперь можно понять термины собственного времени и всякие парадоксы близнецов.
Что такое парадокс близнецов?
Давай парадоксы мы пока не будем рассматривать, просто коротко скажу, что для двух близнецов, один из которых будет дома на Земле, а другой полетит в космос, время будет идти по-разному. А парадокс в том, у кого и как должно замедляться время. Хотя, нет там никакого парадокса, всё в порядке.
Так вот, если мы совсем ляжем на ось пространства – то от временной составляющей ничего не останется. Времени для такого объекта не существует. Это будет скорость света. Ниже оси опускаться нельзя, потому что ни термодинамика, ни Максвелл не разрешают путешествия назад во времени, а прямее тоже не ляжешь – как лечь прямее прямого?
И это уже второй принцип, на котором стоит специальная теория относительности: принцип инвариантности скорости света. То есть, в любой системе отсчета, связана она с движущимся телом, или покоящимся – скорость света постоянна и одинакова для всех.
Вообще, мы только что сформулировали два из двух с половиной постулатов СТО. То, что я обозвал половиной – это принцип причинности. Любое событие может оказывать влияние на другое событие, только если это другое событие произошло после первого. Не раньше и не одновременно. Почему я считаю это половиной постулата? Потому что получается тот же принцип сохранения скорости света. Потому что любой сигнал, скажем так, от одного события до другого не может передаваться быстрее скорости света. А если сигнал не будет передан, то и связи между событиями нет. Соответственно, и причинно-следственной связи никакой между ними.
Получается, что можно вывести принцип инвариантности скорости света из принципа относительности, а принцип причинности вывести из принципа относительности и принципа инвариантности скорости света. Так что можно сокращать всю СТО до принципа относительности и из него уже разворачивать остальные постулаты и принципы, как мне кажется.
Помните, в прошлом выпуске мы говорили про искривлённое пространство-время? Так вот, специальная теория относительности не учитывает искривления пространства-времени. Если помните, эта кривизна у нас называется гравитацией. То есть, СТО не учитывает гравитацию. Это называется плоским, или неискривленным пространством того самого Минковского.
А что будет, если мы начнём учитывать гравитацию?
Эээ... ОТО получится, Общая теория относительности, собственно. Это и есть теория гравитации.
А вот общая теория относительности, или ОТО, говорит, что гравитация - это проявление геометрии пространства-времени. Опять вспоминаем аналогию, что пространство-время - это простыня натянутая. Положим арбуз на нее - получим ямку в простыне. Положим апельсинчик рядом - он притянется к арбузу. Забудем нахрен, что арбуз и апельсин – это трёхмерные объекты, а мы вроде как трёхмерное пространство в двумерность превратили. Не суть. Суть в том, что так ОТО и представляет себе гравитацию, как искривление пространства-времени.
Многие считают, что ОТО опирается на принцип эквивалентности гравитации и инерции. Сейчас я вам его быстренько обрисую. Представьте, что вы стоите в лифте. И не знаете вообще, что снаружи. Как понять, стоит ли лифт на Земле и его и всё остальное притягивает гравитацией, или он движется в вакууме без всяких там гравитационных воздействий, но с ускорением в те же самые 9 и восемь метров в секунду за секунду? Никак. Всё будет одинаково. Поэтому Эйнштейн и предположил, что гравитация – это, скажем так, горка, по которой все предметы скатываются с ускорением. Ускорение определяется тем, как сильно проминается пространство-время под тяжестью объекта. Это и есть гравитация.
Сегодня мы говорим, что этот принцип даже не включен в общую теорию относительности, хотя влияние, безусловно оказал и большое. Проблема в тех самых границах применимости. Помните, что мы рассматриваем второй лифт, как ускоренный, но без всяких там гравитационных воздействий? Это то самое пространство Минковского, то есть – СТО. СТО применима только на плоском пространстве-времени, тогда как Общая теория относительности рассматривает именно искривлённое. И как бы мы ни старались, нельзя приравнять законы кривого пространства-времени к законам плоского. Там и приливные силы и топология против… Хотя, на определенных масштабах мы можем пренебречь кривизной и рассматривать принцип равенства инерции и гравитации как верный.
Собственно, ОТО – это продолжение принципов СТО в искривлённом пространстве-времени. А раз пространство-время искривлено – значит, гравитация имеет значение. А гравитация у нас имеет значение на овербольших масштабах, так что пока что СТО и ОТО никак не получается помирить.
Ну давайте рассмотрим быстренько основные принципы общей теории относительности и разбежимся уже, а то выпуск и так перегружен, как по мне.
Итак, первый принцип – равенство инертной и гравитационной массы. Помните бозон Хиггса? Он отвечает именно за инертную массу. Это масса, которая у нас во втором законе Ньютона фигурирует – как пнёшь, так и полетит. То есть, какую силу приложишь к телу заданной массы, такое ускорение и получишь, грубо говоря. Пнул ты килограммовый кирпич с силой в 1 Ньютон – тот полетит с ускорением в 1 метр в секунду. А ты с ускорением хромаешь в травмпункт, тьфу-тьфу-тьфу.
Так вот, эта масса совсем необязательно должна быть той же массой, которая у нас эмжо. То есть, которая участвует в гравитационном взаимодействии. Не должна быть такой же, но экспериментально равна, так что можно приравнять.
Это практически тот же принцип равенства сил гравитации и инерции, но не совсем. В последнем мы можем рассматривать системы, а там как раз могут включаться приливные силы и всякие искривления геодезических линий. Но масса-то остаётся прежней.
Собственно, второй принцип у нас как раз о геодезических линиях. Проще всего сказать, что геодезические линии – это прямые линии, которые положены на кривое пространство и соединяют две точки кратчайшим образом. Сомните весь ландшафт земли в плоскость, прочертите по планете координатную сетку и опять разожмите ландшафт. Думаете, квадраты координатной сетки не покорёжит? Попробуйте как-нибудь понаблюдать за самолетами. Большую часть пути они летят именно по прямой. Но тень будет перемещаться по Земле сааавсем не прямо. Практически та же история происходит во всей вселенной. Ну, опять же, мы помним, что рассматриваем не двухмерную поверхность на глобусе, скажем так, а трёхмерный мир. Ну и, собственно, сам принцип гласит, что всё в мире движется по этим самым геодезическим линиям. То есть, не всегда по прямым, но всегда – кратчайшим путём.
А третий принцип про девиации этих геодезических линий. То есть, об отклонениях. Помните нашу простыню с арбузом? Представьте, что вы по этой простыне параллельно запустили два шарика. Тот, который был ближе к арбузу, отклонится сильнее, так? Получилась ситуация, в которой у нас параллельные прямые разошлись. Это и есть девиация геодезических линий. На практике мы это видим в эффекте гравитационного линзирования. Это, кстати, одно из предсказаний ОТО.
Важно уточнить, что формально общая теория относительности пока что гипотеза. СТО уже прочно обосновалась в науке и не подвергается сомнениям. Предсказания сбываются, эксперименты подтверждают её, математический аппарат выверен и логичен, и так далее. А общая теория относительности имеет ряд проблем и у неё есть четкие границы применимости и проблемы в математическом аппарате и нерешенные вопросы. Но пока она описывает вселенную вокруг лучше всего. Хотя, есть ряд альтернативных теорий гравитации, которые пока тоже трепыхаются.
Ладно, хватит. Это был довольно сумбурный экскурс и я пока не уверен, что тема закрыта. Говорить про относительность можно довольно много. Там и предсказания и парадоксы и дополнительные принципы и всякие разные штуки.
Но давайте оставим это на попозже, может, у тебя остались какие-то вопросы?
При каких условиях ОТО и СТО подружатся? Давай пофантазируем.
Ну, давай пофантазируем. Собственно, когда мы сможем законами одной теории описать гравитацию и СТО. Сейчас три фундаментальных взаимодействия опираются на СТО, а гравитация – нет. Получается, что одна теория описывает всё вокруг, а другая описывает то самое вокруг.
А мне интересно, в принципе, реально ли подружить теории, в которых обсуждаются бананы и помидоры?
Наверное, реально. В какой-нибудь теории струн. Есть разные гипотезы и теории, которые помогают всё совместить. Если СТО всё поделила на мельчайшие части – кванты, то с гравитацией так не получилось. И есть два основных претендента на описание квантовой теории гравитации – петлевая квантовая гравитация, которую я чуть позже рассмотрю и теория струн. Коротко говоря, разница состоит в подходе к самому пространству-времени. Петлевая квантовая гравитация считает, что пространство-время само по себе дискретно, то есть, прерывается, а теория струн говорит, что пространство-время появляется на поверхности многомерных структур – бран. Давай я на этом остановлюсь, потому что сейчас просто получится выпуск внутри выпуска про теорию струн и ПКГ)
Есть ли в обозримом для нас космосе место, где нет, не было и не может быть гравитации? В таком случае, там рулит, видимо, специальная теория относительности?
Честно говоря, сомневаюсь, что где-то можно рассматривать, скажем так, сферическую СТО в вакууме, хотя, так тоже нельзя говорить. Наверное, есть такие точки в пространстве, где пространство практически не искривлено. Может, точки Лагранжа и есть такие точки... Но пока, как мне кажется, СТО действует на довольно малых масштабах. Так что сомневаюсь, что можно говорить о каких-то космических областях пространства. Даже всякие сверхпустоты, где, вроде как ничего нет, могут оказаться выпуклостью пространства-времени, а не ровным участком, скажем так, хотя, скорее они всё же впуклости)))
Ладно, давайте на этом остановимся и перейдём к закадру.
Пишите свои отзывы, комментарии, сообщения, пожелания и любую обратную связь. Мне очень приятно, что мы не впустую выпуски пилим.
А донаты и всякие подписки на бусти, или в вк донате помогут нам сделать подкаст технически лучше.
И еще, напишите, пожалуйста, как вам Шубуршунчик в этом выпуске?
Ну, собственно, на этом и всё.
С вами был Роман Юдаев
И Шубуршунчик – Эвелина Юдаева.
Услышимся в следующем выпуске.