Если вы хоть раз пытались понять теорию относительности, но через пять минут ловили себя на том, что думаете о котлетах, - вы не одиноки. Официальные учебники делают всё, чтобы вы уснули на второй странице. А на самом деле там всё проще, чем кажется. Эйнштейн придумал гениальную штуку: чтобы понять его теорию, не нужно быть учёным. Нужно просто честно ответить на вопрос: "А что, если время течёт по-разному?" Спойлер: оно течёт по-разному. Давайте разбираться. Без формул. Без зауми. На пальцах.
С чего всё началось или почему Эйнштейн не сразу стал Эйнштейном?
До Эйнштейна физика была простой и понятной, как лопата.
Был товарищ Ньютон. Он сказал: пространство - это коробка. Время - это линейка. И линейка с коробкой никак не связаны. Метр всегда метр. Секунда всегда секунда. Яблоко падает, Луна летит - всё подчиняется одним правилам. Живи и радуйся.
И все жили и радовались почти 200 лет.
Пока не полезли в электричество и магнетизм. Там началась чертовщина. Учёные выяснили: свет - это волна. Но волна чего? Воде нужна вода, воздуху - воздух. А свету что нужно? Решили: нужен "эфир" - такая волшебная субстанция, которая пронизывает всё. И начали этот эфир искать.
Искали-искали... и не нашли.
Эфира не было. А свет - был. И вёл себя странно: его скорость всегда одинаковая. Вы бежите на свет - он к вам со скоростью 300 тысяч км/с. Вы убегаете от света — он всё равно догоняет с той же скоростью. С точки зрения обычной физики это нонсенс. С точки зрения Эйнштейна - ключ ко всему.
В 1905 году 26-летний парень, работавший в патентном бюро, выдал статью. Она называлась "К электродинамике движущихся тел". Мир после неё стал другим. Только никто не понял сразу.
Специальная теория относительности или почему скорость всё ломает?
У специальной теории относительности (СТО) всего два постулата. Два кирпича, на которых всё держится. Запомнить легко.
Первый: законы физики одинаковы для всех, кто движется равномерно и прямолинейно. То есть вы в поезде, который едет без тряски, не можете отличить - стоите вы или едете. Если зашторить окна - никакой эксперимент внутри не скажет, движетесь вы или нет. Физика - одна для всех.
Второй: скорость света в вакууме - константа. И плевать она хотела на то, движетесь вы или нет. 300 тысяч км/с - и точка.
Из этих двух простых утверждений вытекают вещи, от которых до сих пор крышу сносит.
Следствие первое: время течёт по-разному.
Чем быстрее вы двигаетесь, тем медленнее для вас идёт время. Это не шутка. Не метафора. Не "как в кино". Это физический факт, проверенный экспериментально.
Берёте атомные часы. Сажаете в самолёт. Летаете туда-сюда. Приземляетесь - сверяете с часами, которые стояли на земле. Самолётные часы отстали. Немного, на наносекунды, но отстали. Время для летавших текло медленнее.
Те, кто двигался быстрее, - состарились меньше. Прямо сейчас, читая эту статью, вы стареете быстрее, чем если бы неслись на истребителе. Жаль только, разница незаметна.
Следствие второе: длина сокращается.
Если вы разгонитесь до околосветовой скорости, ваш автомобиль станет короче. Со стороны. Для вас самих - нет. Для вас всё будет нормально, а для наблюдателя вы сплющитесь в блин.
Следствие третье: масса растёт.
Чем быстрее летите, тем тяжелее становитесь. Разогнаться до скорости света невозможно - масса уйдёт в бесконечность, энергии потребуется бесконечность. Природа поставила блок: хочешь быстро - плати энергией. И плата растёт экспоненциально.
И главное: E=mc². Самая известная формула в мире. Энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате. Это значит: масса и энергия - одно и то же. Маленький кусочек вещества - это чудовищный запас энергии. Хиросима и Нагасаки - вот что бывает, если превратить в энергию грамм вещества.
Общая теория относительности или почему гравитация — это обман?
Специальная теория относительности - про движение. А что с гравитацией?
Эйнштейн думал-думал и понял: гравитация - это не сила. Вообще.
Ньютон говорил: есть масса, она притягивает другую массу. Непонятно как, непонятно почему - просто притягивает. Эйнштейн сказал: нет никакого "притяжения". Есть искривление пространства-времени.
Аналогия с батутом:
Представьте натянутый батут. Это пространство-время. Кладёте в центр тяжёлый шар - батут прогибается. Теперь пускаете маленький шарик по краю. Он не "притягивается" к большому. Он просто катится по изгибу. Если скорость маленькая - скатится в яму. Если большая - будет крутиться по орбите.
Земля не "притягивает" Луну. Земля продавила пространство-время, и Луна катится по этой воронке. Солнце продавило пространство ещё сильнее, и Земля катится вокруг него. Никакого "таинственного притяжения". Чистая геометрия.
Как это проверили:
В 1919 году случилось солнечное затмение. Учёные смотрели на звёзды рядом с Солнцем. По идее Ньютона, свет идёт прямо. По идее Эйнштейна - массивное Солнце искривляет пространство, и свет огибает его, меняя траекторию. Посмотрели - Эйнштейн оказался прав. Наутро он проснулся знаменитым.
Ещё следствия:
- Время течёт медленнее рядом с массивными объектами. На Земле время течёт чуть-чуть медленнее, чем в космосе. В чёрных дырах - вообще останавливается. Если бы вы жили на первом этаже небоскрёба, вы бы старели чуть-чуть медленнее, чем сосед на сотом. Гравитация сильнее - время медленнее. Это проверено и используется в GPS-навигаторах. Если бы спутники не корректировали время с учётом общей теории относительности (ОТО), навигация врала бы на километры.
- Чёрные дыры - это места, где пространство-время искривлено настолько, что из него ничто не может вылететь, даже свет. Точка невозврата. Эйнштейн сам не верил, что они существуют. Они существуют.
- Вселенная расширяется. Из уравнений ОТО следовало: пространство не может быть статичным. Оно либо сжимается, либо расширяется. Эйнштейн сначала не поверил своим уравнениям и придумал "космологическую постоянную", чтобы остановить расширение. Потом назвал это "самой большой ошибкой". Потому что потом открыли: Вселенная реально расширяется.
Почему вы этого не замечаете?
Если вы сейчас в панике: "Как жить, если время течёт по-разному, а я этого не вижу?" - успокойтесь.
Эффекты теории относительности становятся заметны только при скоростях, близких к скорости света, и при чудовищных массах. Мы живём в мире, где всё медленно и лениво. Для нас Ньютон работает идеально.
Но если бы вы разогнались до 90% скорости света, ваше время замедлилось бы в 2,3 раза. Друзья бы постарели, а вы - нет. Если бы вы сунулись в чёрную дыру - вообще бы остановились (снаружи). Для вас время шло бы нормально, а для внешнего мира вы бы замерли на краю вечности.
Эйнштейн просто показал: мир устроен не так, как мы привыкли думать. Мы живём в иллюзии, что время едино для всех. На самом деле у каждого - своё время. Мы просто слишком медленные, чтобы это заметить.
Теория относительности в жизни или где мы с ней сталкиваемся?
GPS-навигация.
Спутники летают быстро (специальная теория) и далеко от Земли (общая теория). Если не учитывать поправки - ошибка набегает 10 км в день. Ваш навигатор каждый день использует расчёты Эйнштейна, чтобы вы не пропустили поворот.
Ядерная энергетика.
E=mc² работает в каждом реакторе и каждой бомбе. Масса превращается в энергию. Миллионы ватт - из маленького кусочка урана.
Электронные микроскопы.
Там электроны разгоняют до скоростей, где уже видны релятивистские эффекты. Без учёта теории относительности картинка была бы размытой.
Цвет золота.
Золото жёлтое именно из-за релятивистских эффектов. Электроны в атомах золота движутся так быстро, что их масса увеличивается, орбиты сжимаются - и меняется цвет. Если бы теория относительности не работала, золото было бы серебристым, как все нормальные металлы.
Заключение.
Теория относительности Эйнштейна - это не абстрактная математика для избранных. Это описание реальности, в которой мы живём. Просто мы привыкли к своей медленной, тяжёлой, ньютоновской песочнице. А на самом деле мир гибкий, текучий и странный.
Пространство искривляется. Время замедляется. Масса превращается в энергию. И всё это проверено, измерено и работает.
Эйнштейн однажды сказал: "Весь смысл науки - в том, чтобы объяснять сложные вещи простыми словами".