Естествознание. Базовый уровень. 10 класс - Сергей Титов

Такие результаты требовали объяснения. Проще всего было бы предположить, что Земля неподвижна, но в XIX в. в это уже никто не мог поверить. Наилучшим объяснением была теория, утверждающая, что эфир увлекается Землёй подобно воздуху в закрытом автомобиле. Но другие опыты опровергли такое объяснение. Лучший выход из этого запутанного положения нашёл Альберт Эйнштейн, создавший теорию относительности.

Проверьте свои знания

1. Как называлась среда, в которой, как предполагали физики до конца XIX в., распространяется свет?

2. Сравните распространение света и звука. В чём их сходство и отличия?

3. В чём состояло открытие Майкельсона и Морли?

4. Какие гипотезы предлагали учёные для объяснения результатов экспериментов Майкельсона – Морли?

§ 67 Основы теории относительности

«Был этот мир глубокой тьмой окутан.Да будет свет! И вот явился Ньютон…»Но сатана недолго ждал реванша:Пришёл Эйнштейн – и стало всё, как раньше.

Пародия на стихи А. Поупа

В работе, опубликованной в 1905 г., Эйнштейн сделал очень важное заключение. Он утверждал, что причина, по которой Майкельсон и Морли не могли наблюдать эфирный ветер, в том, что эфирного ветра нет.

Как мы знаем, классическая физика Галилея и Ньютона утверждает, что если вы находитесь внутри равномерно движущегося тела, скажем в вагоне поезда, и при этом не видите окружающий пейзаж, то не существует такого механического эксперимента, с помощью которого вы могли бы доказать, что движетесь. Если вы подбросите шарик прямо вверх, он упадёт прямо вниз. Всё происходит точно так же, как если бы поезд стоял. В то же время наблюдатель, стоящий на земле около вагона, если бы он умел видеть сквозь стены, увидел бы путь шарика кривым. По отношению к нему шарик опускался бы не в той же точке, откуда взлетал.

Теория относительности – это шаг вперед от физики Галилея– Ньютона. Она утверждает, что равномерное движение невозможно обнаружить не только с помощью механического измерения, но также и с помощью оптического измерения, т. е. измерения путём наблюдения электромагнитного излучения. Другими словами, если вы даже видите пробегающий за окном пейзаж, вы не сможете установить (конечно, если поезд движется абсолютно равномерно), что же именно движется – поезд или Земля.

Часто приходится слышать, что теория относительности утверждает, что всё в мире относительно, что она разрушает все абсолюты. Это утверждение совершенно неверно. В теории относительности есть по крайней мере одна абсолютная величина – скорость света в вакууме. В уравнениях её обозначают латинской буквой с. В классической физике скорость света должна была меняться в зависимости от движения наблюдателя. Но в опытах Майкельсона и Морли это положение было опровергнуто – скорость света была постоянной, независимо от того, был ли свет направлен вдоль или поперёк вращения Земли. Значит, неважно, как движется источник света или наблюдатель, скорость света по отношению к наблюдателю не меняется. Представим себе, что космонавт летит в космическом корабле вдоль светового луча со скоростью, равной половине скорости света. Измерения покажут, что свет относительно него всё равно движется со скоростью 300 000 км/с. Если бы свет двигался медленнее, то это означало бы, что навстречу движения корабля дует тот самый эфирный ветер, который обнаружить не удалось. А что будет, если космонавт движется по направлению к источнику света? Казалось бы, что свет приближается к нему в полтора раза быстрее. На самом деле свет всё равно движется к нему со скоростью 300 000 км/с.

Относительность одновременности.

Чтобы объяснить теорию относительности, Эйнштейн предложил мысленный эксперимент. Представим себе двух наблюдателей А и В, первый из которых стоит около железнодорожного пути, а второй движется по этому пути в очень быстром поезде[20](рис. 184). На равном расстоянии от наблюдателя А по направлению движения поезда и против него находятся точки X и Y. В тот момент, когда наблюдатель В, т. е. пассажир, окажется рядом с наблюдателем А, в точках X и Y одновременно вспыхивает молния. Стоящий на месте увидит эти вспышки в одно и то же мгновение и будет считать, что они одновременны. Но пассажир движется навстречу точке X и удаляется от Y, поэтому он увидит вспышку в X несколько раньше, чем в Y. Если пассажир знает, что он движется таким образом, то он учтёт эту разницу и согласится с тем, что молнии ударили одновременно. Но как он может это выяснить? С таким же правом можно предположить, что поезд покоится, а Земля под его колёсами бежит назад.

Таким образом, приходится заключить, что на вопрос о том, были ли вспышки одновременными, нельзя ответить однозначно: всё зависит от выбора системы отсчёта. Конечно, если два события одновременно происходят в одной и той же точке, они, безусловно, одновременны. Но чем больше расстояние между событиями, тем труднее решить вопрос об их одновременности. И дело не в том, что мы не способны установить истинную одновременность, а в том, что этой истинной одновременности не существует.

Рис. 184. Мысленный эксперимент, предложенный Эйнштейном (относительность одновременности)

Во Вселенной нет абсолютного времени, в котором такая одновременность может быть измерена.

Относительность времени.

Вместе с относительностью одновременности стали относительными и другие физические понятия. Время стало относительным, поскольку нет возможности установить, сколько его прошло между одними и теми же событиями. Для того чтобы разобраться в этом, представим себе пассажира, который направляет на зеркальный потолок луч от фонарика. Отразившись от потолка, этот луч вернётся вниз в ту же точку, из которой он вышел, и таким образом пройдёт расстояние, равное двойной высоте вагона. Но наблюдатель, стоящий на перроне, увидит другую картину. За то время, что луч света пройдёт от фонарика до зеркала, само зеркало вследствие движения поезда переместится. Пока луч будет возвращаться, фонарик переместится ещё на такое же расстояние. Таким образом, для наблюдателя на платформе свет пройдёт большее расстояние, чем для наблюдателей в поезде. Но ведь скорость света абсолютна, она одинакова и для пассажиров, и для людей, стоящих на перроне. По этой причине можно сделать вывод, что между отправлением и возвращением света на перроне прошло больше времени, чем в поезде. Само собой разумеется, что находящиеся в поезде пассажиры будут думать наоборот. Ведь они могут считать, что находятся в покое, а перрон едет мимо них. С их точки зрения, перронные часы будут показывать большее время по сравнению с теми часами, которые находятся в поезде. Каждый наблюдатель будет думать, что любые движущиеся относительно него часы спешат.

Относительность расстояния.

Посмотрим теперь, что происходит при таких высоких скоростях с пространством. Представьте себе, что поезд Эйнштейна проносится мимо перрона, имеющего длину 2 400 000 км (рис. 185). Если он движется со скоростью 240 000 км/с, то по показаниям станционных часов голова поезда проскочит этот перрон за 10 с. Но по часам пассажиров поезд пройдёт перрон за меньшее время, скажем, за 6 с. Значит, при той же скорости длина перрона будет уже не 2 400 000 км, а 240 000 • 6 = 1 440 000 км. Точно так же и длина самого поезда для сидящих в нём пассажиров будет больше, чем для стоящих на перроне наблюдателей. Если разобраться, то в этом нет ничего удивительного. Мы ведь знаем, что, если два человека смотрят друг на друга с большого расстояния, то каждому из них кажется, что другой меньше его, хотя на самом деле они могут быть одного роста.

Относительность массы

Теория относительности доказывает также, что и масса тела, с точки зрения движущегося относительно неё наблюдателя, кажется большей, чем для наблюдателя, неподвижного по отношению к ней. Такую увеличенную массу называют релятивистской (от лат. relativus – относительный).

Рис. 185. Относительность расстояния: А – наблюдатели на перроне; Б – пассажир в поезде

В противоположность ей массу, измеренную относительно неподвижного наблюдателя, называют массой покоя. Поскольку все элементарные частицы движутся, как правило, с очень большой скоростью, их релятивистская масса обычно оказывается значительно больше их массы покоя. Фотон же вообще не имеет массы покоя, он всегда движется со скоростью света (или, в случае если свет распространяется не в вакууме, достаточно близкой к ней).

Скорость света – предельная скорость во Вселенной.

Из теории относительности также следует, что ничто в мире не может двигаться со скоростью, большей, чем скорость света. Если какой-либо объект будет двигаться со скоростью света, его длина будет восприниматься со стороны как нулевая, время на нём– остановившимся, а масса – бесконечно большой. При этом наблюдатели, находящиеся на этом объекте, никаких изменений не заметят. Поэтому все рассуждения о том, что произойдёт с космическим кораблём, если он будет лететь со сверхсветовой скоростью, следует оставить писателям-фантас там.