Итак, в механике Ньютона все инерциальные системы отсчета эквивалентны между собой и одинаково относятся к абсолютному пространству. В рамках каждой из них работают одни те же законы Ньютона, а динамические характеристики – сила и ускорение – одинаковы. А какие физические свойства приписывались самому абсолютному пространству? Ньютон считал, что абсолютное пространство «безразлично» к равномерному прямолинейному движению, но оказывает сопротивление ускорению тел. То есть инерционные свойства тел возникают вследствие воздействия на них абсолютного пространства, на которое, в свою очередь, материальные тела воздействовать не могут. Стоит заметить, что последнее утверждение находится в противоречии с самой философией механики Ньютона. Действительно, это означает, что при взаимодействии с абсолютным пространством не работает третий закон Ньютона, и следовательно, разрушается единая система законов.
Концепция абсолютного пространства и интерпретация свойств инерции вызывали возражения, как современников Ньютона, так и следующих за ними исследователей. Для нас наиболее интересна гипотеза австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838–1916). В 1872 году им была высказана идея, что свойство инерции возникает как результат взаимодействия каждого отдельного тела сразу со всеми остальными массами во Вселенной и не имеет ничего общего с абсолютным пространством Ньютона. Идеи Маха в большой степени стимулировали Эйнштейна в исследовании проблем теории тяготения. Именно Эйнштейн назвал эту гипотезу принципом Маха, хотя в реальности она не вошла в структуру общей теории относительности, созданной им позднее. Идея Маха до сих пор не получила ни основательного подтверждения, ни опровержения. Надо сказать, и в наше время она пересматривается после каждого значимого открытия в космологии или в рамках модифицированных теорий гравитации.
Электродинамика. Скорость света
Эфир
Наш повседневный опыт, а также опыт научных достижений XIX века, не допускает распространения каких-либо колебаний без среды. То, что мы видим чуть не каждый день – это волны на поверхности воды. Звуковые волны представляют собой распространение уплотнений и разрежений в воздухе. Теория электромагнетизма не включает такого понятия, как некая специальная среда, в которой распространяются электромагнитные волны. Уравнения вполне справедливы и для вакуума. Поэтому Максвелл вернулся к старой идее о существовании эфира, заполняющего пространство. Именно эфиру отводилась роль носителя электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с абсолютным пространством, идея которого, в свою очередь, получила новую неожиданную поддержку.
Естественно, не заставили себя ждать попытки найти экспериментальное подтверждение существования эфира. Если таковой существует, то Земля, двигаясь сквозь него со скоростью 30 км/с (скорость движения по орбите вокруг Солнца), должна испытывать воздействие эфирного ветра. Как обнаружить это воздействие? Обычно приводят в пример эксперимент Майкельсона – Морли. На рис. 4.4 приведена его схема.
Рис. 4.4. Схема эксперимента Майкельсона-Морли
Предположим, что направление луча, испущенного источником, соответствует движению Земли по орбите, тогда в этом направлении должен «дуть» эфирный ветер. Свет из источника разделяется пластиной на луч, который отражается в направлении перпендикулярном движению, и луч, направление которого не изменилось. Затем лучи отражаются от зеркал и в конечном итоге встречаются на детекторе. Геометрические пути лучей одинаковы. Как рассчитать распространение луча? Если свет распространяется в среде (эфире), то в поперечном направлении нужно учитывать только скорость света в эфире, а в продольном направлении, следуя преобразованиям Галилея, скорости «ветра» и света нужно складывать, а после отражения – вычитать. Тогда окажется, что луч в направлении движения Земли запоздает, и это должно быть зарегистрировано на детекторе.
Впервые эксперимент был поставлен американским физиком Альбертом Майкельсоном (1852–1931) в 1881 году и повторен им на усовершенствованной установке совместно с Эдвардом Морли (1838–1923). Точность эксперимента в несколько раз превосходила ожидаемый результат, но эффект не был зарегистрирован. Многократные попытки в последующие десятилетия на усовершенствованных приборах так и не привели к успеху. Зарегистрировать наличие эфира не удалось.
Итак, пришлось смириться с тем, что эксперимент Майкельсона и Морли не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. Однако теоретические попытки спасти концепцию эфира продолжались.
Голландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) и ирландский ученый Джордж Фицджеральд (1851–1901) независимо друг от друга попытались объяснить, почему не удалось зарегистрировать эфир. Вспомним, что для расчета в опыте Майкельсона – Морли существенным образом используются преобразования Галилея, которые по сути своей очень просты. Теперь же выдвигалась гипотеза, что в результате движения сквозь эфир уменьшается длина вдоль движения и замедляется ход часов. Эти преобразования устраиваются как раз так, что движение относительно эфира остается незамеченным. Подводя итог на тот период, замечательный французский математик Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912) отмечал, что если преобразования Лоренца (как их стали называть с его подачи) верны, то эфир, если он и существует, все равно не доступен наблюдению. А поскольку вопрос о существовании или отсутствии эфира не удается решить, то остается рассматривать только относительные (не абсолютные) движения.
Но если сохранить наличие эфира в принципе, то возникает другая проблема. В силу принципа относительности Галилея законы механики Ньютона имеют один и тот же вид и верны во всех инерциальных системах отсчета. Для электродинамики Максвелла это правило не выполняется, поскольку ее уравнения существенным образом содержат скорость света. Действительно, если использовать преобразования Галилея, то скорость света должна быть разной в разных инерциальных системах отсчета, а это недопустимо для уравнений Максвелла. С другой стороны, они оказались инвариантными относительно преобразований Лоренца!
Таким образом, на рубеже XIX и XX веков возникла критическая ситуация в понимании места механики и электродинамики в общей физической картине мира. Теоретические и опытные данные вступили в противоречие. Эта ситуация требовала разрешения.
Глава 5
Принципы построения
Эффекты СТО
Теперь обсудим наиболее важные и интересные эффекты специальной теории относительности. Многие из них оказались неожиданными для бытового восприятия. Но нет никаких противоречий, просто нам в повседневной жизни не доводится перемещаться с околосветовыми скоростями, а именно тогда эти эффекты становятся наблюдаемыми.
Относительное сокращение длины. Как отмечали Лоренц и Фицджеральд, движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Представим космический корабль, который проносится мимо нас с большой скоростью. Для нас его размеры уменьшатся. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным становится этот эффект. При приближении его скорости к световой, сжатие будет стремиться к предельному – нулевым размерам в направлении движения. Что
же касается пилота космического корабля, то он не заметит никакого сокращения корабля, зато мы для него сожмемся. На рис. 5.1 проиллюстрировано релятивистское сокращение длины, где штрихованная система отсчета движется вдоль оси x.
Относительное замедление времени. Любой наблюдатель, сравнивая ход своих часов и часов в движущейся относительно него системе отсчета, обнаружит, что последние идут медленнее. Поясним это. Пусть пилот корабля и земной лаборант имеют абсолютно одинаковые часы. Лаборант фиксирует и сопоставляет «тики» своих часов и часов на корабле. Окажется, что для него «космические тики» происходят реже, чем земные. А для пилота, наоборот, земные часы идут медленнее. Этот эффект также становится все более заметным по мере приближения скорости ракеты к скорости света и становится предельным, когда скорость становится околосветовой. Эффект замедления времени касается буквально всего, включая атомные процессы и биологические ритмы, иначе нарушился бы принцип относительности.
Рис. 5.1. Релятивистское сокращение длины
Приведем в качестве иллюстрации пример, подтверждающий как эффект замедления времени, так и эффект сокращения расстояний. Космические лучи – элементарные частицы, попадающие на Землю из космоса, сталкиваются с атомами атмосферы. В результате на высоте около 10 км рождаются новые частицы – мюоны. Время жизни мюонов очень короткое – они распадаются в среднем за 0,000 002 с в собственной системе отсчета. Если бы не было замедления времени, то они никак не смогли бы пролететь расстояние более 1 км. Но, преодолев 10 км, эти частицы долетают до поверхности Земли, где их регулярно регистрируют. Причина видится только в относительном увеличении времени жизни мюонов для земного наблюдателя. Кстати, почему тогда с точки зрения наблюдателя в системе покоя мюона он достигает Земли, ведь для него его часы идут нормально? Здесь нужно вспомнить о сокращении расстояний. Для такого наблюдателя 10 км до Земли значительно сократятся, и он успеет достичь ее поверхности за короткое время жизни этой элементарной частицы.
Сложение скоростей. Теперь вернемся ко второму принципу – постоянству скорости света в любой инерциальной системе отсчета. Сразу очевидно, что он определяет сложение скоростей, отличное от того, которое следует из преобразований Галилея. Действительно, движение источника света со скоростью V не должно влиять на скорость света c, который он испускает. Это выглядит парадоксально! Однако преобразования Лоренца именно к такому сложению скоростей и ведут. В соответствии с ними, сложение двух досветовых скоростей дает величину, меньшую их простой суммы, а если одна из скоростей – c, то сложение тоже дает c!
Многие эффекты СТО противоречат повседневному опыту (интуиции), кажутся невероятными и даже невозможными. Это вызывает сомнения в основах теории у многих людей, интересующихся наукой. Особое неприятие вызывает второй принцип – сложение скоростей. По мнению любителей, скорость света должна складываться со скоростью источника, как следовало бы из преобразований Галилея (баллистическая гипотеза). Неизменность скорости света давно подтверждена напрямую при сравнении света, испускаемого двумя экваториальными краями вращающегося Солнца. Однако сторонники баллистической гипотезы возражают тем, что перед сравнением лучей свет пропускался через оптику телескопа, а переизлучение преломляющей средой как бы приводит к уравниванию скоростей двух пучков.
Чтобы опровергнуть и эти возражения недавно (результаты опубликованы в 2011 году) в центре синхротронного излучения Курчатовского института был произведен опыт. Исследовали излучение сгустка электронов, разогнанного почти до скорости света и запущенного по искривленной траектории. В этом случае есть большое ускорение, а именно тогда происходит эффективное излучение. По баллистической гипотезе скорость света должна быть близка к двойной световой – 2c. Эффект огромный, его нельзя не заметить. Провели два типа экспериментов. Для первого – свет разделили на два пучка: один пустили напрямую, а второй – через стеклянную пластину, чтобы установить, изменяет ли переизлучение скорость света. Затем оба пучка сравнили. Разницы в скорости не было найдено! Во втором эксперименте скорость синхротронного излучения измерили напрямую. Как и ожидалось, она с высокой точностью оказалась равной своему обычному значению – c, никак не 2c. Можно сказать, что это еще одна непосредственная проверка второго принципа.
Пространство Минковского
Как мы уже отметили, в СТО пространство и время нужно рассматривать как единый четырехмерный континуум – его называют пространством Минковского. Тогда непривычные (для бытового восприятия) свойства теории объяснять и интерпретировать значительно легче. Пространство Минковского представляют в виде диаграммы с временной и пространственными осями. На временной оси в качестве отсчета используется время, умноженное на скорость света – ct, это упрощает анализ, поскольку все данные имеют одинаковую размерность. Пространственные координаты, также для простоты, часто представлены только координатой x, хотя, конечно, подразумеваются все три. Кроме того, в отличие от общепринятых диаграмм, здесь роль функции играет время, а аргумента – пространственные координаты.
Диаграмма пространства Минковского, точно так же, как обычные диаграммы, используется для отображения в виде графика пути, который проходит материальная частица с течением времени. Если частица движется равномерно и прямолинейно – ее путь будет прямой линией, а котангенс угла наклона к оси x равен скорости частицы в долях скорости света. На рис. 5.2 изображен путь такой частицы от начала координат до точки A. Прямые, направленные под углом 45°, отображают пути фотонов, движущихся со скоростью света как через начало координат, так и через точку А в разные стороны. Позже мы определим такие «фигуры» как световые конусы. Движение частицы от точки А возможно только внутри конуса, поскольку ее скорость не может превышать световую.
Рис. 5.2. Путь частицы на диаграмме пространство-время
Если частица движется произвольно, то ее путь будет представлен кривой, а котангенс угла наклона касательной к оси x в какой-либо точке будет равен скорости частицы в момент, соответствующий этой точке.
Концепция абсолютного пространства и интерпретация свойств инерции вызывали возражения, как современников Ньютона, так и следующих за ними исследователей. Для нас наиболее интересна гипотеза австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838–1916). В 1872 году им была высказана идея, что свойство инерции возникает как результат взаимодействия каждого отдельного тела сразу со всеми остальными массами во Вселенной и не имеет ничего общего с абсолютным пространством Ньютона. Идеи Маха в большой степени стимулировали Эйнштейна в исследовании проблем теории тяготения. Именно Эйнштейн назвал эту гипотезу принципом Маха, хотя в реальности она не вошла в структуру общей теории относительности, созданной им позднее. Идея Маха до сих пор не получила ни основательного подтверждения, ни опровержения. Надо сказать, и в наше время она пересматривается после каждого значимого открытия в космологии или в рамках модифицированных теорий гравитации.
Электродинамика. Скорость света
Изменить представление о пространстве и времени решающим образом стало возможным только после успехов в исследовании природы электричества и магнетизма. Пропуская имена ряда замечательных ученых, совершивших открытия в этой области, остановимся на теоретических результатах английского математика и физика шотландского происхождения Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), рис. 4.2. Немного фактов его биографии. Отец Джима был членом адвокатской коллегии, владел поместьем в Южной Шотландии, мать была дочерью судьи Адмиралтейского суда и умерла, когда сыну было 8 лет. Сначала, когда нужно было начинать обучение, приглашали учителей на дом, но хороших найти не удалось. Поэтому отец отправил сына в Эдинбургскую академию.
Затем Джеймс поступает в Эдинбургский университет и успешно заканчивает его, а в 1850 году уезжает в Кембридж, несмотря на недовольство отца. О его напряженном режиме учебы, который, видимо, он сам себе устроил, свидетельствует следующий факт. После получения сообщения об обязательном посещении утреннего богослужения в Кембриджском университете он сказал: «Я в это время только ложусь спать».
Получив степень бакалавра, Максвелл остается в Тринити-колледже работать преподавателем. В этот период он занимается проблемой цветов, геометрией, электричеством. В 1854 году в письме одному из друзей Джеймс заявил о намерении «атаковать электричество». Это удалось – вскоре был опубликован труд «О фарадеевых силовых линиях» – одна из трех самых крупных работ
Максвелла. Главный труд этого периода жизни ученого – создание теории цветов. Он экспериментальным путем показал, как смешиваются цвета. Эти исследования впоследствии легли в основу цветной фотографии. Спустя сто лет компания «Кодак» доказала, что Максвеллу тогда просто повезло – его способом получить зеленое и красное изображения было нельзя, эти цвета образовались случайно. Тем не менее принципы все же были правильными.
Рис. 4.2. Джеймс Максвелл
В последующие годы он занимается расчетом движения колец Сатурна и издает трактат «Об устойчивости движения колец Сатурна». Затем разрабатывает кинетическую теорию газов. Уже после этого Максвелл сосредотачивается на исследовании электромагнетизма. Публикуются работы «О физических силовых линиях» и «Динамическая теория электромагнитного поля». С этого времени и до конца своей жизни ученый работает над проблемами электрических измерений. В 1873 году выходит главный труд всей его жизни – двухтомник «Трактат по электричеству и магнетизму».[2]
Одно из основных открытий состоит в том, что была установлена взаимосвязь электричества и магнетизма. Основываясь на результатах и идеях предшественников, Максвелл использовал и развил понятие поля. Согласно его теории каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом. Поле обладает силовой характеристикой – напряженностью – и тем самым воздействует на заряженные частицы, находящиеся в нем. Таким образом, одна заряженная частица через свое поле действует с некоторой силой на другие заряженные частицы.
Конечно, такие взгляды на природу взаимодействия отличаются от корпускулярной модели Декарта. Они отличаются и от точки зрения Ньютона на концепцию тяготения. Ньютон считал, что притяжение определяется силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами.
Хотя в нашем понимании это остается вопросом интерпретации. Силе Ньютона можно точно так же приписать потенциал, который представляет собой не что иное как поле. Разница будет в том, что, в отличие от электромагнитного взаимодействия, распространяющегося со скоростью света, гравитационное взаимодействие по Ньютону должно распространяться мгновенно (с бесконечной скоростью).
Самым интересным из результатов Максвелла для нас является следующее. Из уравнений электромагнитного поля следует, что движение заряженных частиц должно порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света c = 300 000 км/с. Эти волны могут иметь любую длину – расстояние между двумя соседними гребнями волны.
По длине электромагнитные волны разделяются на разные диапазоны. Свет – это электромагнитная волна с довольно короткой длиной волны, у ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения длина волны еще короче, у инфракрасного, микроволнового и радиоизлучения – длиннее. Сегодня мы имеем возможность регистрировать электромагнитные волны длиной от 10–12 м до многих километров.
Рис. 4.3. Схема измерений Рёмера
Впервые скорость света была определена датским астрономом Оле Рёмером (1644–1710) в 1676 году. Он анализировал нерегулярность видимых затмений спутника Юпитера Ио.
Было обнаружено, что выход Ио из тени Юпитера наблюдается со все большим запаздыванием по мере удаления Земли от орбиты Юпитера. Рёмер связал это с тем, что свет имеет конечную скорость, и поэтому для его достижения Земли каждый раз требуется разное время (рис. 4.3). А тогда, зная разность расстояний для разных моментов появления Ио и наблюдаемое время запаздывания, можно определить скорость преодоления светом этого дополнительного расстояния. Скорость по данным Рёмера оказалась равной 215 000 км/с. Вполне приличная по тем временам точность.
Затем Джеймс поступает в Эдинбургский университет и успешно заканчивает его, а в 1850 году уезжает в Кембридж, несмотря на недовольство отца. О его напряженном режиме учебы, который, видимо, он сам себе устроил, свидетельствует следующий факт. После получения сообщения об обязательном посещении утреннего богослужения в Кембриджском университете он сказал: «Я в это время только ложусь спать».
Получив степень бакалавра, Максвелл остается в Тринити-колледже работать преподавателем. В этот период он занимается проблемой цветов, геометрией, электричеством. В 1854 году в письме одному из друзей Джеймс заявил о намерении «атаковать электричество». Это удалось – вскоре был опубликован труд «О фарадеевых силовых линиях» – одна из трех самых крупных работ
Максвелла. Главный труд этого периода жизни ученого – создание теории цветов. Он экспериментальным путем показал, как смешиваются цвета. Эти исследования впоследствии легли в основу цветной фотографии. Спустя сто лет компания «Кодак» доказала, что Максвеллу тогда просто повезло – его способом получить зеленое и красное изображения было нельзя, эти цвета образовались случайно. Тем не менее принципы все же были правильными.
В последующие годы он занимается расчетом движения колец Сатурна и издает трактат «Об устойчивости движения колец Сатурна». Затем разрабатывает кинетическую теорию газов. Уже после этого Максвелл сосредотачивается на исследовании электромагнетизма. Публикуются работы «О физических силовых линиях» и «Динамическая теория электромагнитного поля». С этого времени и до конца своей жизни ученый работает над проблемами электрических измерений. В 1873 году выходит главный труд всей его жизни – двухтомник «Трактат по электричеству и магнетизму».[2]
Одно из основных открытий состоит в том, что была установлена взаимосвязь электричества и магнетизма. Основываясь на результатах и идеях предшественников, Максвелл использовал и развил понятие поля. Согласно его теории каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом. Поле обладает силовой характеристикой – напряженностью – и тем самым воздействует на заряженные частицы, находящиеся в нем. Таким образом, одна заряженная частица через свое поле действует с некоторой силой на другие заряженные частицы.
Конечно, такие взгляды на природу взаимодействия отличаются от корпускулярной модели Декарта. Они отличаются и от точки зрения Ньютона на концепцию тяготения. Ньютон считал, что притяжение определяется силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами.
Хотя в нашем понимании это остается вопросом интерпретации. Силе Ньютона можно точно так же приписать потенциал, который представляет собой не что иное как поле. Разница будет в том, что, в отличие от электромагнитного взаимодействия, распространяющегося со скоростью света, гравитационное взаимодействие по Ньютону должно распространяться мгновенно (с бесконечной скоростью).
Самым интересным из результатов Максвелла для нас является следующее. Из уравнений электромагнитного поля следует, что движение заряженных частиц должно порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света c = 300 000 км/с. Эти волны могут иметь любую длину – расстояние между двумя соседними гребнями волны.
По длине электромагнитные волны разделяются на разные диапазоны. Свет – это электромагнитная волна с довольно короткой длиной волны, у ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения длина волны еще короче, у инфракрасного, микроволнового и радиоизлучения – длиннее. Сегодня мы имеем возможность регистрировать электромагнитные волны длиной от 10–12 м до многих километров.
Впервые скорость света была определена датским астрономом Оле Рёмером (1644–1710) в 1676 году. Он анализировал нерегулярность видимых затмений спутника Юпитера Ио.
Было обнаружено, что выход Ио из тени Юпитера наблюдается со все большим запаздыванием по мере удаления Земли от орбиты Юпитера. Рёмер связал это с тем, что свет имеет конечную скорость, и поэтому для его достижения Земли каждый раз требуется разное время (рис. 4.3). А тогда, зная разность расстояний для разных моментов появления Ио и наблюдаемое время запаздывания, можно определить скорость преодоления светом этого дополнительного расстояния. Скорость по данным Рёмера оказалась равной 215 000 км/с. Вполне приличная по тем временам точность.
Эфир
Тонкий по природе эфир ни с чем не смешивается, хотя и проникает всюду.
Кришна «Бхагавадгита как она есть»
Наш повседневный опыт, а также опыт научных достижений XIX века, не допускает распространения каких-либо колебаний без среды. То, что мы видим чуть не каждый день – это волны на поверхности воды. Звуковые волны представляют собой распространение уплотнений и разрежений в воздухе. Теория электромагнетизма не включает такого понятия, как некая специальная среда, в которой распространяются электромагнитные волны. Уравнения вполне справедливы и для вакуума. Поэтому Максвелл вернулся к старой идее о существовании эфира, заполняющего пространство. Именно эфиру отводилась роль носителя электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с абсолютным пространством, идея которого, в свою очередь, получила новую неожиданную поддержку.
Естественно, не заставили себя ждать попытки найти экспериментальное подтверждение существования эфира. Если таковой существует, то Земля, двигаясь сквозь него со скоростью 30 км/с (скорость движения по орбите вокруг Солнца), должна испытывать воздействие эфирного ветра. Как обнаружить это воздействие? Обычно приводят в пример эксперимент Майкельсона – Морли. На рис. 4.4 приведена его схема.
Предположим, что направление луча, испущенного источником, соответствует движению Земли по орбите, тогда в этом направлении должен «дуть» эфирный ветер. Свет из источника разделяется пластиной на луч, который отражается в направлении перпендикулярном движению, и луч, направление которого не изменилось. Затем лучи отражаются от зеркал и в конечном итоге встречаются на детекторе. Геометрические пути лучей одинаковы. Как рассчитать распространение луча? Если свет распространяется в среде (эфире), то в поперечном направлении нужно учитывать только скорость света в эфире, а в продольном направлении, следуя преобразованиям Галилея, скорости «ветра» и света нужно складывать, а после отражения – вычитать. Тогда окажется, что луч в направлении движения Земли запоздает, и это должно быть зарегистрировано на детекторе.
Впервые эксперимент был поставлен американским физиком Альбертом Майкельсоном (1852–1931) в 1881 году и повторен им на усовершенствованной установке совместно с Эдвардом Морли (1838–1923). Точность эксперимента в несколько раз превосходила ожидаемый результат, но эффект не был зарегистрирован. Многократные попытки в последующие десятилетия на усовершенствованных приборах так и не привели к успеху. Зарегистрировать наличие эфира не удалось.
Итак, пришлось смириться с тем, что эксперимент Майкельсона и Морли не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. Однако теоретические попытки спасти концепцию эфира продолжались.
Голландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) и ирландский ученый Джордж Фицджеральд (1851–1901) независимо друг от друга попытались объяснить, почему не удалось зарегистрировать эфир. Вспомним, что для расчета в опыте Майкельсона – Морли существенным образом используются преобразования Галилея, которые по сути своей очень просты. Теперь же выдвигалась гипотеза, что в результате движения сквозь эфир уменьшается длина вдоль движения и замедляется ход часов. Эти преобразования устраиваются как раз так, что движение относительно эфира остается незамеченным. Подводя итог на тот период, замечательный французский математик Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912) отмечал, что если преобразования Лоренца (как их стали называть с его подачи) верны, то эфир, если он и существует, все равно не доступен наблюдению. А поскольку вопрос о существовании или отсутствии эфира не удается решить, то остается рассматривать только относительные (не абсолютные) движения.
Но если сохранить наличие эфира в принципе, то возникает другая проблема. В силу принципа относительности Галилея законы механики Ньютона имеют один и тот же вид и верны во всех инерциальных системах отсчета. Для электродинамики Максвелла это правило не выполняется, поскольку ее уравнения существенным образом содержат скорость света. Действительно, если использовать преобразования Галилея, то скорость света должна быть разной в разных инерциальных системах отсчета, а это недопустимо для уравнений Максвелла. С другой стороны, они оказались инвариантными относительно преобразований Лоренца!
Таким образом, на рубеже XIX и XX веков возникла критическая ситуация в понимании места механики и электродинамики в общей физической картине мира. Теоретические и опытные данные вступили в противоречие. Эта ситуация требовала разрешения.
Глава 5
Специальная теория относительности
Установив исходные факты, мы начнем строить, основываясь на них, нашу теорию и попытаемся определить, какие моменты в данном деле можно считать узловыми.
Конан Дойль «Записки Шерлока Холмса»
Принципы построения
Попытки решить возникшие проблемы чрезвычайно активными были в начале XX века. В результате в 1905 году была окончательно сформулирована специальная теория относительности (далее будем обозначать ее СТО) и представлена одновременно в работах Альберта Эйнштейна (1879–1955), и Анри Пуанкаре. Позднее теория была представлена немецким математиком и физиком Германом Минковским (1864–1909) в четырехмерном формализме, объединяющем пространство и время. До сих пор идут споры – и кто, и что, и кто раньше, а кто позже. В конце главы мы кратко расскажем о взаимоотношениях между учеными той великой эпохи. Вне всяких сомнений, важный вклад внес каждый из исследователей.
Разные авторы по-разному приводят и формулируют принципы (постулаты), на основании которых построена СТО. Но можно сказать, что существуют два основных принципа, которые обычно представлены явно.
Первый из них – это принцип относительности, согласно которому во всех инерциальных системах отсчета действуют одни и те же физические законы. Принцип относительности, прежде всего, устраняет различия в проявлениях законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы. Он также исключает идею о неподвижном эфире абсолютного пространства. Часто этот принцип называют принципом относительности Пуанкаре – Эйнштейна, который, конечно, является расширением принципа относительности Галилея на все физические явления.
Второй принцип постулирует постоянство (неизменность) скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Обычно в качестве постулата выбирается некая аксиома, то есть очевидное утверждение, не требующее доказательств. Второй же принцип выглядит скорее парадоксальным, чем очевидным. На первый взгляд он плохо сочетается с принципом относительности. Поэтому можно только восхищаться смелостью и гениальностью создателей СТО.
Остальные принципы иногда озвучиваются явно, иногда скрыты в процессе построений. Они частично перекрываются двумя, отмеченными выше. Как минимум, нужно упомянуть, что все построения (измерение расстояний и отсчет времени) ведутся с помощью световых (электромагнитных) сигналов.
Была построена теория, удовлетворяющая этим принципам. Оказалось, что преобразования Галилея нужно заменить преобразованиями Лоренца. Их использование приводит к преобразованиям не только пространственных координат, но и времени, все перемешивая. Таким образом, становится естественным рассматривать пространство и время не по отдельности, а как составляющие единой «арены», на которой рассматриваются физические взаимодействия, – пространственно-временного континуума, или просто пространства-времени.
Напомним, что уравнения электродинамики неизменны (инвариантны) относительно преобразований Лоренца (иначе: лоренц-инвариантны). Это и означает, что законы электромагнетизма одни и те же во всех инерциальных системах отсчета. Но как быть с законами механики, которые инвариантны относительно преобразований Галилея, но не Лоренца? А эти законы пришлось подправить для случая скоростей близких к скорости света, и их называют релятивистскими законами механики. При малых скоростях тел (значительно меньших световых) релятивистские законы переходят в законы механики Ньютона.
Разные авторы по-разному приводят и формулируют принципы (постулаты), на основании которых построена СТО. Но можно сказать, что существуют два основных принципа, которые обычно представлены явно.
Первый из них – это принцип относительности, согласно которому во всех инерциальных системах отсчета действуют одни и те же физические законы. Принцип относительности, прежде всего, устраняет различия в проявлениях законов механики и электродинамики при переходе в другие инерциальные системы. Он также исключает идею о неподвижном эфире абсолютного пространства. Часто этот принцип называют принципом относительности Пуанкаре – Эйнштейна, который, конечно, является расширением принципа относительности Галилея на все физические явления.
Второй принцип постулирует постоянство (неизменность) скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Обычно в качестве постулата выбирается некая аксиома, то есть очевидное утверждение, не требующее доказательств. Второй же принцип выглядит скорее парадоксальным, чем очевидным. На первый взгляд он плохо сочетается с принципом относительности. Поэтому можно только восхищаться смелостью и гениальностью создателей СТО.
Остальные принципы иногда озвучиваются явно, иногда скрыты в процессе построений. Они частично перекрываются двумя, отмеченными выше. Как минимум, нужно упомянуть, что все построения (измерение расстояний и отсчет времени) ведутся с помощью световых (электромагнитных) сигналов.
Была построена теория, удовлетворяющая этим принципам. Оказалось, что преобразования Галилея нужно заменить преобразованиями Лоренца. Их использование приводит к преобразованиям не только пространственных координат, но и времени, все перемешивая. Таким образом, становится естественным рассматривать пространство и время не по отдельности, а как составляющие единой «арены», на которой рассматриваются физические взаимодействия, – пространственно-временного континуума, или просто пространства-времени.
Напомним, что уравнения электродинамики неизменны (инвариантны) относительно преобразований Лоренца (иначе: лоренц-инвариантны). Это и означает, что законы электромагнетизма одни и те же во всех инерциальных системах отсчета. Но как быть с законами механики, которые инвариантны относительно преобразований Галилея, но не Лоренца? А эти законы пришлось подправить для случая скоростей близких к скорости света, и их называют релятивистскими законами механики. При малых скоростях тел (значительно меньших световых) релятивистские законы переходят в законы механики Ньютона.
Эффекты СТО
Названия созвездий вы можете и забыть, но людей, которые не преклоняются перед чудесами природы, я считаю недостойными уважения.
Сэмуэль Майкельсон (отец Альберта Майкельсона)
Теперь обсудим наиболее важные и интересные эффекты специальной теории относительности. Многие из них оказались неожиданными для бытового восприятия. Но нет никаких противоречий, просто нам в повседневной жизни не доводится перемещаться с околосветовыми скоростями, а именно тогда эти эффекты становятся наблюдаемыми.
Относительное сокращение длины. Как отмечали Лоренц и Фицджеральд, движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Представим космический корабль, который проносится мимо нас с большой скоростью. Для нас его размеры уменьшатся. Чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным становится этот эффект. При приближении его скорости к световой, сжатие будет стремиться к предельному – нулевым размерам в направлении движения. Что
же касается пилота космического корабля, то он не заметит никакого сокращения корабля, зато мы для него сожмемся. На рис. 5.1 проиллюстрировано релятивистское сокращение длины, где штрихованная система отсчета движется вдоль оси x.
Относительное замедление времени. Любой наблюдатель, сравнивая ход своих часов и часов в движущейся относительно него системе отсчета, обнаружит, что последние идут медленнее. Поясним это. Пусть пилот корабля и земной лаборант имеют абсолютно одинаковые часы. Лаборант фиксирует и сопоставляет «тики» своих часов и часов на корабле. Окажется, что для него «космические тики» происходят реже, чем земные. А для пилота, наоборот, земные часы идут медленнее. Этот эффект также становится все более заметным по мере приближения скорости ракеты к скорости света и становится предельным, когда скорость становится околосветовой. Эффект замедления времени касается буквально всего, включая атомные процессы и биологические ритмы, иначе нарушился бы принцип относительности.
Приведем в качестве иллюстрации пример, подтверждающий как эффект замедления времени, так и эффект сокращения расстояний. Космические лучи – элементарные частицы, попадающие на Землю из космоса, сталкиваются с атомами атмосферы. В результате на высоте около 10 км рождаются новые частицы – мюоны. Время жизни мюонов очень короткое – они распадаются в среднем за 0,000 002 с в собственной системе отсчета. Если бы не было замедления времени, то они никак не смогли бы пролететь расстояние более 1 км. Но, преодолев 10 км, эти частицы долетают до поверхности Земли, где их регулярно регистрируют. Причина видится только в относительном увеличении времени жизни мюонов для земного наблюдателя. Кстати, почему тогда с точки зрения наблюдателя в системе покоя мюона он достигает Земли, ведь для него его часы идут нормально? Здесь нужно вспомнить о сокращении расстояний. Для такого наблюдателя 10 км до Земли значительно сократятся, и он успеет достичь ее поверхности за короткое время жизни этой элементарной частицы.
Сложение скоростей. Теперь вернемся ко второму принципу – постоянству скорости света в любой инерциальной системе отсчета. Сразу очевидно, что он определяет сложение скоростей, отличное от того, которое следует из преобразований Галилея. Действительно, движение источника света со скоростью V не должно влиять на скорость света c, который он испускает. Это выглядит парадоксально! Однако преобразования Лоренца именно к такому сложению скоростей и ведут. В соответствии с ними, сложение двух досветовых скоростей дает величину, меньшую их простой суммы, а если одна из скоростей – c, то сложение тоже дает c!
Многие эффекты СТО противоречат повседневному опыту (интуиции), кажутся невероятными и даже невозможными. Это вызывает сомнения в основах теории у многих людей, интересующихся наукой. Особое неприятие вызывает второй принцип – сложение скоростей. По мнению любителей, скорость света должна складываться со скоростью источника, как следовало бы из преобразований Галилея (баллистическая гипотеза). Неизменность скорости света давно подтверждена напрямую при сравнении света, испускаемого двумя экваториальными краями вращающегося Солнца. Однако сторонники баллистической гипотезы возражают тем, что перед сравнением лучей свет пропускался через оптику телескопа, а переизлучение преломляющей средой как бы приводит к уравниванию скоростей двух пучков.
Чтобы опровергнуть и эти возражения недавно (результаты опубликованы в 2011 году) в центре синхротронного излучения Курчатовского института был произведен опыт. Исследовали излучение сгустка электронов, разогнанного почти до скорости света и запущенного по искривленной траектории. В этом случае есть большое ускорение, а именно тогда происходит эффективное излучение. По баллистической гипотезе скорость света должна быть близка к двойной световой – 2c. Эффект огромный, его нельзя не заметить. Провели два типа экспериментов. Для первого – свет разделили на два пучка: один пустили напрямую, а второй – через стеклянную пластину, чтобы установить, изменяет ли переизлучение скорость света. Затем оба пучка сравнили. Разницы в скорости не было найдено! Во втором эксперименте скорость синхротронного излучения измерили напрямую. Как и ожидалось, она с высокой точностью оказалась равной своему обычному значению – c, никак не 2c. Можно сказать, что это еще одна непосредственная проверка второго принципа.
Пространство Минковского
Тогда нарушается закон причинно-следственной связи, закон, от которого я совершенно не собирался отказываться из-за каких-то паршивых попугаев, да еще дохлых вдобавок…
Аркадий Стругацкий, Борис Стругацкий «Понедельник начинается в субботу»
Как мы уже отметили, в СТО пространство и время нужно рассматривать как единый четырехмерный континуум – его называют пространством Минковского. Тогда непривычные (для бытового восприятия) свойства теории объяснять и интерпретировать значительно легче. Пространство Минковского представляют в виде диаграммы с временной и пространственными осями. На временной оси в качестве отсчета используется время, умноженное на скорость света – ct, это упрощает анализ, поскольку все данные имеют одинаковую размерность. Пространственные координаты, также для простоты, часто представлены только координатой x, хотя, конечно, подразумеваются все три. Кроме того, в отличие от общепринятых диаграмм, здесь роль функции играет время, а аргумента – пространственные координаты.
Диаграмма пространства Минковского, точно так же, как обычные диаграммы, используется для отображения в виде графика пути, который проходит материальная частица с течением времени. Если частица движется равномерно и прямолинейно – ее путь будет прямой линией, а котангенс угла наклона к оси x равен скорости частицы в долях скорости света. На рис. 5.2 изображен путь такой частицы от начала координат до точки A. Прямые, направленные под углом 45°, отображают пути фотонов, движущихся со скоростью света как через начало координат, так и через точку А в разные стороны. Позже мы определим такие «фигуры» как световые конусы. Движение частицы от точки А возможно только внутри конуса, поскольку ее скорость не может превышать световую.
Если частица движется произвольно, то ее путь будет представлен кривой, а котангенс угла наклона касательной к оси x в какой-либо точке будет равен скорости частицы в момент, соответствующий этой точке.
Конец бесплатного ознакомительного фрагмента