О теории относительности на пальцах.

Рассказать о теории относительности настолько просто, чтобы понял даже ребёнок, вероятно, невозможно, так как существуют понятия и теории, интуитивно не воспринимаемые нашим мозгом. Но можно описать её так, чтобы она не вызывала страха в изучении. Ну а база по физике и математике нужна в любом случае.

Скажем так, по легенде, прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Учёный, ехав на трамвае по Берну (Швейцария), взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы, значит времени бы вокруг не стало. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности — различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время.

Говоря научным языком, Эйнштейн осознал, что описание любого физического события или явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель (см. Эффект Кориолиса). Если пассажирка трамвая, например, уронит очки, то для неё они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку трамвай движется, в то время как очки падают. Такой мысленный эксперимент провести не трудно.

Но хотя описания событий при переходе из одной системы отсчёта в другую меняются, есть и универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения очков задаться вопросом о законе природы, вызывающем их падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Закон распределенного движения в равной мере действует и на улице, и в трамвае. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, законы природы от него не зависят, то есть, являются инвариантными. В этом и заключается принцип относительности.

Как и любую другую гипотезу, принцип относительности необходимо было проверить путём соотнесения его с реальными природными явлениями. Из принципа относительности Эйнштейн вывел две отдельные теории. Одна является частным случаем второй. Специальная, или частная, теория относительности (СТО) исходит из положения, что законы природы одни и те же для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Общая теория относительности (ОТО) распространяет этот принцип на любые системы отсчёта, включая те, что движутся с ускорением. СТО была опубликована в 1905 году, а более сложная с точки зрения математического аппарата ОТО была завершена Эйнштейном к 1916 году. Именно поэтому сложно объяснить их на пальцах — для их формулировки потребовалось огромное количество времени и совокупная работа многих учёных.

Специальная теория относительности.

Большинство парадоксальных и противоречащих интуитивным представлениям о мире эффектов, возникающих при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывается именно СТО. Самый известный из них — эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем точно такие же часы у него в руках. В художественном фильме "Интерстеллар" это показано очень хорошо.

Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения — напротив, сжимается ("кротовые норы"). Этот эффект, известный как сокращение Лоренца-Фицджеральда, был описан в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом (George Fitzgerald, 1851–1901) и дополнен в 1892 году нидерландцем Хендриком Лоренцем (Hendrick Lorentz, 1853–1928). Сокращение Лоренца-Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона-Морли по определению скорости движения Земли в космическом пространстве посредством замеров «эфирного ветра» дал отрицательный результат (и доказал, что эфира не существует). Позже Эйнштейн включил эти уравнения в СТО и дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела также увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света. Так, при скорости 260 000 км/с (87% от скорости света) масса объекта с точки зрения наблюдателя, находящегося в покоящейся системе отсчета, удвоится.

Со времени Эйнштейна все эти предсказания, сколь бы противоречащими здравому смыслу они ни казались (чем пользуются псевдоучёные), находят полное и прямое экспериментальное подтверждение (о чём либо специально умалчивают, либо просто не знают псевдоучёные, распространяя своё непонимание и нежелание учиться). В одном из самых показательных опытов ученые Мичиганского университета поместили сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки сверяли их показания с контрольными часами. Выяснилось, что часы на самолёте постепенно отставали от контрольных всё больше и больше (речь идёт о долях секунды, но важна принципиальная доказуемость отставания). Уже больше полувека учёные исследуют элементарные частицы на огромных ускорителях. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени (либо, как на БАК, эти пучки сталкиваются друг с другом, что намного эффективнее, так как скорости движущихся навстречу другу другу объектов складываются). В таких опытах приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц — иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И в этом смысле СТО давно перешла из разряда гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где используется наравне с законами механики Ньютона.

Кстати, о законах Ньютона.

Стоит особо отметить, что СТО, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона, если её применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть, СТО не отменяет ньютоновской физики, а расширяет и дополняет её.

Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира — этот вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом (см. Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме одинакова в любой системе отсчёта. Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так.

Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в ОТО.

Общая теория относительности.

ОТО применяется уже ко всем системам отсчёта (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя, как частный случай, СТО (и, следовательно, законы Ньютона). При этом, ОТО идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она даёт новую интерпретацию гравитации, сильна сегодня является, грубо выражаясь, её нерешённой частью.

ОТО делает мир четырёхмерным: к трём пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идёт уже не о пространственном расстоянии между двумя объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удалённость друг от друга — как по времени, так и в пространстве. То есть пространство и время рассматриваются как четырёхмерный пространственно-временной континуум или, попросту, пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже во мнении о том, произошли ли два события одновременно — или одно предшествовало другому. К счастью для нашего обеднённого эволюцией разума, до нарушения причинно-следственных связей дело не доходит — то есть существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже ОТО не допускает (что упускают псевдоучёные и мракобесы).

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. С этой точки зрения Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения. ОТО, однако, заставляет нас взглянуть на это явление иначе. Согласно этой теории, гравитация — это следствие деформации упругой ткани пространства-времени под воздействием массы (при этом чем тяжелее тело, например Солнце, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле). То есть гравитация — совокупность таких исправлений, которые действуют на отдельно взятое тело. Представьте себе туго натянутое полотно, на которое помещён массивный шар. Полотно деформируется под тяжестью шара, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Согласно ОТО, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжёлым шаром — Солнцем. А то, что нам кажется силой тяжести, на самом деле является, по сути чисто внешнем проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании. На сегодняшний день лучшего объяснения природы гравитации, чем даёт нам ОТО, не найдено. И это факт.

Проверить ОТО непросто, поскольку в обычных лабораторных условиях её результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее, несколько важных экспериментов были проведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, ОТО помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звёзд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца или звёзд вообще.

На самом деле результаты, которые предсказывает ОТО, заметно отличаются от результатов, предсказанных законами Ньютона, только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это значит, что для полноценной проверки ОТО нужны либо сверхточные измерения очень массивных объектов, либо изучения чёрных дыр, к которым никакие наши привычные интуитивные представления неприменимы. Так что разработка новых экспериментальных методов проверки теории относительности остается одной из важнейших задач экспериментальной физики.

Основано на «200 законов мироздания» Джеймса Трефила.

---