Детская энциклопедия

Меню сайта











От механики классической к механике релятивистской

В этой статье мы не пересказываем школь­ный курс механики. У нас задача другая: по­казать, как следует рассматривать движения механических тел в пространстве и во времени. Особое внимание мы обратили на некоторые интересные случаи механических движений.

Хотя механика самый старый раздел физи­ки, в ней за последние полвека появилось много нового и неожиданного. Это новое и неожидан­ное возникло в связи с углубленным изучением таких важнейших физических понятий, как пространство и время. Разбирая силы тяготения, мы уже отметили, что Эйнштейн объяснил их не столько свойствами притягивающихся мате­риальных тел, сколько свойствами окружаю­щего их пространства. По существу, Эйнштейн воедино связал пространство, время и материю. Это вполне соответствует принципу диалектиче­ского материализма: пространство и время — формы существования материи и от нее не­отделимы.

Зависимость свойств пространства от при­сутствия материи Эйнштейн обнаружил позже, чем зависимость от движения наблюдателя. Вот как это было. Ньютон в своей «Механике» до­пускал существование абсолютного простран­ства и абсолютного времени. Он писал: «Абсо­лютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным»; «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется дли­тельностью».

Ньютон не указал, откуда берутся абсолют­ные пространство и время и как их обнаружить. Просто предполагалось, что вся Вселенная погружена в некую неподвижную пустоту, ко­торая и есть абсолютное пространство, и в этой пустоте равномерно течет абсолютное время. Если это так, то тогда следовало бы найти спо­соб, как измерять движения тел, используя сис­тему отсчета, связанную с абсолютным прост­ранством. Такая система выгодно отличалась бы от инерционных систем, которые, как мы видели, все относительны. Но как обнаружить это абсолютное пространство? Какое явле­ние природы может указать на то, что оно существует?

Предполагалось, что на это указывает рас­пространение света в пустоте. Действительно, чтобы свет звезды дошел до земного наблюдате­ля, он должен пройти миллионы и миллиарды километров в космическом пространстве, где плотность материи ничтожна. Свет лучше всего распространяется там, где ему не мешает не­прозрачное вещество, и можно думать, что «род­ная стихия» для света — именно пустое про­странство.

Это предположение надо было проверить экс­периментом. Если луч света распространяется в абсолютном пространстве, то можно устано­вить, что его скорость различна для разных наблюдателей. Другими словами, здесь также должны быть справедливыми преобразования Галилея, как и для всякого механического движения. Двигаясь навстречу световому лучу, мы должны измерить большую скорость, чем при движении вдоль него. Тогда, по аналогии с механическим движением, мы сделали бы вывод, что при движении вдоль луча со скоро­стью света наблюдатель увидел бы этот луч неподвижным.

В конце прошлого века было поставлено множество опытов, определявших скорость света при разных условиях: и когда он идет навстре­чу к наблюдателю и когда он уходит от него. Наиболее точный опыт впервые поставил амери­канский ученый Майкельсон в 1881 г. В этом и во всех дальнейших экспериментах результат был один и тот же: скорость света остается постоянной и не зависит от движения наблю­дателя (или источника света).

Этот вывод резко противоречил всему, что было известно в классической механике. Если мы двигаемся навстречу автомобилю, его ско­рость складывается с нашей; если двигаемся от него, то вычитается.

А вот со светом получается иначе. Двигаем­ся ли мы навстречу световому лучу или убегаем от него, в любом случае его скорость относи­тельно нас остается одной и той же: округлен­но — 300 000 км/сек! Было сделано много попы­ток объяснить такое странное явление, но все они оказались неудовлетворительными.

Только у Эйнштейна хватило научного му­жества заявить, что здесь мы имеем дело с но­вым законом природы: скорость света есть инвариантная величина, не зависящая от дви­жения наблюдателя. Простые алгебраические расчеты показывают, к каким революционным изменениям в наших представлениях о про­странстве и времени привело это, казалось, «простое» утверждение.

Пусть, как и раньше, мы имеем две системы отсчета: одну — неподвижную и вторую — двига­ющуюся относительно первой со скоростью v, как только подвижный и неподвижный на­блюдатели оказываются рядом, вспыхивает све­товой сигнал.

Согласно Эйнштейну, скорость распростра­нения этого сигнала одинакова и в первой и во второй системе отсчета.

Путь, пройденный светом в первой системе отсчета, будет: х=ct, путь, пройденный светом в подвижной системе, будет: x1=ct1 (с=300000 км/сек).

Легко показать, что преобразования Галилея несовместимы с законом постоянства распро­странения света. Действительно, по Галилею, х1=х-vt1, и, следовательно, х1=(с-v)t1, т. е. в подвижной системе отсчета скорость света получается иной, что противоречит закону неза­висимости скорости света от скорости наблю­дателя.

Предположение Эйнштейна, что скорость света не зависит от скорости источника или наблюдателя, было тщательно проверено. Вы­воды оказались почти фантастическими. Ока­зывается, преобразования Галилея верны лишь приблизительно, их можно применять, когда скорость наблюдателя во много раз меньше скорости света. Но если наблюдатель будет дви­гаться с огромной скоростью, приближающейся к скорости света, начнут проявляться такие явления, о которых классическая механика и не подозревала,— так называемые релятивист­ские эффекты.

Во-первых, с точки зрения неподвижного наблюдателя геометрические размеры всех про­летающих мимо него тел изменяются: в направ­ления движения они сокращаются, «сплющивают­ся». Например, при очень большой скорости пролетающий мимо шар превратится в плоский блин. Во-вторых, и это, пожалуй, самое неожи­данное, время у двигающегося наблюдателя идет медленнее, чем у неподвижного (рис. 8),

при этом чем больше скорость, тем больше замед­ляется время. Если бы можно было достичь скорости света, время в полном смысле этого слова остановилось бы! В-третьих, масса дви­гающихся тел тоже оказывается не постоянной, а растет вместе со скоростью.

Из теории относительности следует важный вывод о предельном значении скорости света. Тела не могут двигаться быстрее света.

Не следует думать, что выводы теории отно­сительности — фантастика. Увеличение массы двигающихся тел начинает играть существен­ную роль в ускорителях ядерных частиц. При конструировании этих ускорителей уже прини­мают специальные меры, чтобы преодолеть возрастающую инерцию разгоняемых ядерных частиц, им придают дополнительную энергию. В ядерной физике было доказано и замедление времени. Оказалось, что неустойчивые части­цы — мю-мезоны, которые обнаруживаются в кос­мических лучах, живут дольше, чем мю-мезоны, полученные в ускорителях. Удлинение их жизни объясняется тем, что из-за большой скоро­сти движения их время течет медленнее, чем время у их земных двойников.

В эпоху космических полетов вывод теории относительности о замедлении времени для быстро двигающихся тел может приобрести прак­тическое значение. Ведь если двигаться доста­точно быстро, то за время жизни человека мож­но посетить самые отдаленные уголки Вселен­ной! Подсчитано, что при скоростях, близких к скорости света, можно побывать у дале­ких звезд, находящихся от Земли на расстоя­нии в несколько миллионов световых лет, на­пример в туманности Андромеды, и вернуться обратно. Самым удивительным окажется то, что за время путешествия такого «субсвето­вого» космического корабля на Земле время будет течь обычным темпом и пройдет несколь­ко сотен, тысяч и даже миллионов лет! Вполне мыслима и такая ситуация, когда отправивший­ся в «ближний» звездный полет отец вернется на Землю и обнаружит, что его сын старше его.

Теория относительности предсказывает, что не только ход часов, но и скорость течения всех физических процессов на скоростном космиче­ском корабле будет замедлена. А это значит, что путешественники никак не смогут заметить те удивительные превращения, которые про­изойдут с ними и со всем, что их окружает.

Правда, ученые все еще спорят: замедлится пли не замедлится в космическом корабле, двигающемся с фантастической скоростью, само течение жизни. Сейчас ответить на этот вопрос очень трудно. Будущие эксперименты в косми­ческом пространстве, может быть, прояснят и эту интересную проблему.

Многие волнующие загадки, связанные с выводами теории относительности, были бы решены, если бы удалось построить аппарат, двигающийся с околосветовой скоростью. На Земле нет еще топлива, которое могло бы так разогнать корабль. Такая скорость была бы у космического корабля, если бы силу его тяги соз­давал ... поток света. Это так называемые фо­тонные, или аннигиляционные, двигатели. Их конструкцию и принцип действия пока что пытается предсказать только научная фанта­стика.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016