О теории относительности Эйнштейна много спорят, и по ней возникает масса вопросов. Кто-то уверен, что она совершенно несостоятельно и уверенно опровергает её, другие - объясняют скептикам её суть. В этой статье я рассмотрю самые распространенные вопросы и некоторые парадоксы этой сложной и занимательной теории.
Один из самый частых вопросов касается частицы света - фотона:
Как фотон, не обладающий массой, обладает импульсом?
Ведь импульс равен произведению массы на скорость:
р = mv
Получается, что, если масса равна нулю, как в случае с фотоном, то и импульс должен быть нулевым – при любой скорости. Однако фотон совершенно точно обладает импульсом. Тогда – где же ошибка?
Дело в том, что школьная формула применима для малых скоростей – тех, с которыми мы сталкиваемся на земле. Для околосветовых скоростей существует друга, более полная формула:
Если в этой формуле мы сделаем импульс равным нулю, т.е. - тело находится в состоянии покоя, то получим ту самую знаменитую формулу «энергия равна массе на скорость света в квадрате»:
которая говорит нам о том, что любое тело, обладающее массой, всегда обладает энергией, даже если не наделены ей ни в каких иных смыслах.
А сделав массу равной нулю, мы получим вот такое выражение для связи импульса и энергии,
где под энергией понимается энергия фотона:
Е = hv – произведение частоты соответствующей электромагнитной волны на постоянную Планка.
Из этой формулы уже видно, что и частица без массы должна обладать импульсом, величина которого зависит только от скорости света и частоты волны.
Но и это объяснение тоже встречает вопросы, например, такой:
А почему вообще решили, что фотон обладает каким-то импульсом?
Этот факт был установлен экспериментально еще в конце XIX века Петром Лебедевым. Несмотря на низкий уровень тогдашней экспериментальной техники, Лебедев сумел преодолеть трудности, и существование светового давления на твердые тела было доказано и измерено.
Сегодня нам гораздо проще убедиться, что фотон света обладает импульсом – достаточно взять маленький лазер и какой-нибудь легкий предмет – например, бумажку – и мы увидим, что под воздействием светового потока этот предмет придет пусть и в слабое, но все-таки – явно различимое движение:
Т.е. световой поток действительно обладает давлением.
Давление потока солнечного света на предмет, находящийся на орбите Земли. Составляет порядка 9мкПа, или 9 стомиллиардных долей одной атмосферы. Конечно, это очень и очень мало, но эту величину можно не только зарегистрировать, но и найти столь маленькому давлению практическое применение: к примеру, очень тонкий и легкий материал значительной площади можно прикрепить к космическому аппарату и использовать в качестве паруса:
Солнечные «паруса» уже используются в реальности для полетов зондов: так, 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры. IKAROS был оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью исследовали особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.
Ну а режиссеры-фантасты давно уже оснастили космические корабли в своих фильмах такими «парусами», с помощью которых астронавты запросто совершают путешествия по всей Солнечной системе, и не только.
То, что свет обладает давлением - доказывает, что фотон обладает импульсом.
Теперь перейдем к главной ошибке опровергателей теории относительности.
Опровергают, как правило, тот её постулат, где утверждается, что скорость света является универсальной константой и не зависит от выбора системы отсчета.
Скажем, если рассекающий пространство космический звездолет включит в своей носовой части световой прожектор, то испускаемый прожектором свет будет двигаться с одной и той же скоростью как для людей на корабле, так и для неподвижных наблюдателей на Земле, и для наблюдателей в любой другой системе отсчета:
Это звучит достаточно странно, но лишь потому, что наблюдать в реальности подобную картину у нас еще не было: мы не умеем строить звездолеты. Движущиеся с околосветовой или хотя бы сравнимой со световой, скоростью. Определить скорость светового луча невооруженным глазом также невозможно – для этого нужны специальные приборы.
Самое смешное в этой истории – то, что постоянство скорости света было открыто ДО Эйнштейна – об этом можно почитать в первой части о теории относительности. Эйнштейн лишь объяснил, как может быть устроен мир, в котором скорость света является универсальной константой.
Ведь до появления теории относительности перед учеными возникали, казалось бы, неразрешимые парадоксы, объяснения которым не было. Например, такой:
Вообразим корабль, который стартовал с земли со скоростью 1/2 от световой. Через полгода после его отлета, т.е. тогда, когда корабль находился на расстоянии 0,25 св. года от Земли,
полиция схватила террориста, который заявил, что на корабле заложена бомба, которая должна взорваться через 10 месяцев после старта корабля. Естественно, на Земле принимают решение немедленно передать космонавтам радиосигнал, что бомбу нужно найти и обезвредить.
Успеет ли дойти сигнал?
Теперь – если мы принимаем за истину, что скорость света постоянна во всех системах отсчета, получается противоречие:
Система отсчета 1, Земля. Для тех, кто остался на Земле – движется корабль космонавтов. Он постоянно удаляется со скоростью в половину световой. Радиосигнал догоняет корабль со скоростью света, причем, пока сигнал летит к кораблю, корабль продолжает движение, становясь каждую секунду на 150 тыс. километров дальше. Несложно подсчитать, что сигнал нагонит корабль еще через полгода, т.е. когда корабль будет в пути уже целый год. Значит, бомбу не успеют обезвредить и звездолет взорвется.
Теперь проделаем те же рассуждения, но уже для космонавтов на корабле.
Система отсчета 2, космонавты на корабле. С их точки зрения – удаляется наша планета, Земля. К моменты отправки сигнала о бомбе Земля удалилась на 0,25 световых года, т.е. свету лететь до корабля – четверть года, три месяца. Но для космонавтов-то корабль – неподвижен!! Для них - Земля становится всё дальше и дальше. Сигнал уже отправлен, стало быть, ничто не мешает ему достигнуть корабля всего за 3 месяца. А, значит, бомбу успеют обезвредить.
Итак, мы получили два разных ответа: корабль взорвался и корабль не взорвался. Но это – один и тот же корабль, поэтому он уж либо гибнет, либо нет, и его существование не может зависеть от того, с какой стороны смотреть на полет.
Отсюда, казалось, бы вывод: скорость света не может быть константой. Но как же тогда быть с тем, что уже экспериментально установлено? Ведь речь идет не только об эксперименте, упоминавшемся в первой части, есть много других. В частности – наблюдения за двойными звездами.
В системе двойных звезд одна из них – то приближается к нам, то удаляется. Если бы скорость света подчинялась обычным законам механики складывалась бы со скоростью движения звезды. Когда она летит к нам, и вычиталась бы, когда звезда летит от нас, то мы бы наблюдали либо две звезды вместо одной, либо, как минимум, то значительное усиление яркости, то – существенное её ослабление, т.к. более быстрый свет, который испускала бы летящая к нам звезда, обгонял бы более медленный свет, когда звезда движется в обратном направлении. Но этого в реальности не происходит.
Важный момент: не путать спектр световых лучей с яркостью! Спектр, цвет – это длина волны, а не мощность излучения. Красная она или ближе к фиолетовому – её ВИДИМАЯ ЯРКОСТЬ не меняется в зависимости от движения звезды.
Сталкиваясь с парадоксами, подобными описанному примеру с заминированным кораблем, ученые строили самые разные предположения, вплоть до существования нескольких параллельных реальностей.
Эйнштейн задал вопрос, который прежде не приходил в голову никому:
А что, если время – относительно, и может замедляться и ускоряться?
И стоит только предположить относительность времени – парадоксы исчезают.
Вернемся к примеру с кораблем.
Поскольку он движется с сопоставимой со световой скоростью, то время на его борту течет медленнее. И для космонавтов, и для таймера, отсчитывающего время взрыва. Поэтому к моменту прихода сигнала время взрыва еще не наступит, бомбу успеют обезвредить. При учете разницы в течении времени на корабле и на Земле ход событий для разных систем отсчета окажется одинаковым. В данном случае: корабль уцелеет.
Конечно, идея о том, что время, которое мы привыкли считать чем-то универсальным и абсолютным, может сжиматься и растягиваться, кажется безумной, и жертвовать привычным представлением о постоянстве времени ради не менее странной идеи об универсальности скорости света кажется противоестественным.
Что ж, на Галилея когда-то тоже смотрели, как на идиота, спорящего против очевидных вещей: все ж каждый день видят, что Солнце кружится вокруг Земли, а этот чудак заявляет, что всё наоборот...
Эффект замедления времени был экспериментально доказан еще в 1971 году двумя американскими учеными, дважды облетевшими землю с точнейшими атомными часами, показывающими время с точностью до наносекунд. Такие же часы были оставлены на Земле. Когда путешествие ученых закончилось, показания сверили, и между ними не только была зафиксирована разница, но и - эта разница полностью укладывалась в формулы теории относительности.
Сейчас же эффект замедления времени, а также эффект воздействия гравитации на время учитывается на спутниках, отвечающих на навигацию. Он неощутим для человеческих чувств, но он есть, и приборы, которым нужна точность, его учитывают.
Перейдем к самому известному парадоксу, который часто приводят в пример т.н. разоблачители теории Эйнштейна - парадоксу близнецов.
Вообразим двух братьев-близнецов, один из которых отправился в путешествие с околосветовой скоростью:
В системе отсчета брата-домоседа его брат-космонавт движется с огромной скоростью - и, согласно теории относительности, для него время замедляется, т.е. он стареет медленнее:
Но в системе отсчета космонавта ситуация другая: это он - неподвижен, а его брат удаляется от него с околосветовой скоростью, следовательно, это для него время должно идти медленнее:
В теории относительности все системы отсчета равноправны и одинаковы - выходит, что с точки зрения теории Эйнштейна оба брата буду правы.
Но так не может быть: кто-то да должен оказаться старше, если время замедляется при приближении к скорости света.
Где же ошибка? Как разрешается этот парадокс?
На самом деле тут никакого парадокса нет вовсе. Системы отсчета землянина и космонавта заведомо неравноправны.
В теории относительности равноправны лишь те системы, которые движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно.
Здесь же ни о какой равномерности не может быть и речи: брат-космонавт ускоряется, и не раз: сначала при старте с Земли, потом - он набирает околосветовую скорость, потом - замедляется при приближении к пункту назначения, и на обратном пути опять - ускорение, замедление при подлете к Земле. А домосед на Земле остается в покое, т.е. если совсем точно, продолжает двигаться вместе с Землей с абсолютно той же скоростью, для него ничего не меняется.
Время замедляется для того, КТО УСКОРЯЕТСЯ. То есть моложе обязательно должен оказаться брат-космонавт.
Разумеется, речь идет о замедлении времени с точки зрения неускоренного наблюдателя. В самой ускоряющейся системе отсчета никаких эффектов замедления времени наблюдаться не будет. Тем, кто будет находиться в такой системе, будет казаться, что это не их время замедлилось, а время снаружи ускорилось.
Этот эффект отлично показан в известных фильмах: например, в фильме "Полет навигатора" для Дэвида прошло лишь несколько часов, он вернулся и с удивлением обнаружил, что за эти часы на Земле прошло целых 8 лет. Для астронавтов в "Интерстелларе", высадившихся на планету Миллер, время шло обычным порядком, для них прошло часа три. А на корабле, оставшимся далеко от планеты и для их товарища, там находящегося, прошло более 20 лет.
Конечно, скептики, наверное, так и будут спорить с теорией относительности до тех пор, пока человечество не построит, наконец, корабль, способный двигаться со скоростью, сопоставимой со световой. Тогда уже будет конкретный, видимый результат.
Автор не ставит перед собой цель переубедить тех, кто не согласен с теорией относительности. Я лишь показываю на наиболее понятных примерах аргументы в её пользу.
Спасибо за внимание!
Ставьте лайк, если понравилась статья. Пишите комментарии, подписывайтесь на канал - будет еще много интересного!