Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Рахматуллин К.Х. В мире Эйнштейна

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
2.62 Mб
Скачать

если считать, что он вместе с Землей движется, а поезд стоит.

Таким образом, получается, что о времени наступле­ ния двух событий, их последовательности во времени мы не можем дать абсолютного ответа. Ответ наш будет зависеть от выбора системы отсчета. Это разработанная теорией Эйнштейна проблема относительности одновре­ менности.

Исходя из невозможности распространения любых действий со скоростью, превышающей скорость света, теория относительности отказалась от представления, что события, отделяющие прошедшее от будущего, длят­ ся только одно мгновение. Из причинно-следственных отношений между процессами ясно, что прошедшими мы называем такие события, которые могут влиять на происходящее в данное время событие. В свою очередь событие А может влиять на будущее, но будущие со­ бытия принципиально не могут влиять на А.

Интервал между событиями И и В, отделение про­ шедшего от будущего будет зависеть от расстояния между ними. Если взять две вспышки света А в момент времени 1а я В в момент времени 1 в, то в какой мере мы можем говорить об их одновременности? Если свет вспышки А успел дойти до В прежде, чем там произо­ шла вспышка, то мы уверенно говорим об А как о про­ шедшем, а о В как о будущем событии (по отношению их друг к другу). Но если же вспышка В произошла, когда еще свет А не успел дойти до В, то ответ не будет

4—2571

49

однозначным: в одной системе отсчета прошедшей бу­ дет вспышка А, в другой системе — В. Иначе говоря, мы не можем утверждать об абсолютной одновремен­ ности двух сильно удаленных друг от друга событий. События, которые разделены промежутками времени, менее необходимого для пробегания света от одного до другого, называются квазиодновременными. А для не­ больших расстояний, с которыми люди встречаются ежедневно, не трудно установить практическую одно­ временность событий, тем более, если их распростране­ ние (радиосигналы, например) имеет очень большую скорость.

Следовательно, теория относительности устанавли­ вает зависимость течения и длительности времени от относительного движения тел и показывает, что нельзя говорить об одновременности событий без учета относи­ тельного движения тел и их пространственного рас­ стояния. Но относительность одновременности нельзя абсолютизировать и доводить до отрицания существо­ вания в природе событий, которые по времени совпада­ ют. Тела и процессы не лишаются присущих им свойств, но эти свойства различно проявляются в раз­ личных отношениях. Было бы странно относительность одновременности доводить до крайности, до абсурда, например, до отрицания понятий «до» и «после». Едва ли какой-либо космонавт, с какой бы скоростью он ни двигался, сумеет ухитриться умереть до своего рожде­ ния. Это же относится к возникновению и гибели лю­

50

бого тела и процесса; все они возникают раньше, а кончают свое существование «после» этого.

Отказ от понятия абсолютной одновременности яв­ ляется одним из важнейших выводов специальной тео­ рии относительности. Относительность одновременно­ сти вытекает из того, что в мире нет независимого от материального движения абсолютного времени, нет единого мирового потока времени. Каждый движущий­ ся предмет в зависимости от скорости движения имеет свое собственное течение времени (точнее говоря: ритм времени).

Теперь мы вплотную подошли к рассмотрению еще более трудных для понимания вопросов об относитель­ ностипространственной протяженности предметов и яв­ лений и их длительности во времени. Рассмотрим сле­ дующий мысленный эксперимент.

Представим себе две космические ракеты А и Б, на­ ходящиеся в состоянии относительного движения с большой скоростью. Космонавт А смотрит через иллю­ минатор (в момент встречи двух ракет) и видит, что космонавт Б посылает луч света от потолка к зеркалу на полу. Зеркало отражает свет, и он возвращается сно­ ва к потолку. Для Б путь луча света будет прямым, а космонавту А он будет виден в виде буквы V. Поскольку длина сторон V больше сдвоенной прямой той Же высо­ та, то космонавт А может подумать, что в ракете Б свет стал двигаться медленнее. Но помня принцип постоян­ ства скорости света, он сделает правильный вывод, что

4*

51

это Время в ракете Б течет медленнее. То же самое бу­ дет наблюдаться и в обратном случае: если луч света будет послан космонавтом А , а наблюдать будет космо­ навт Б. Выходит, таким образом, что ритм времени за­ висит от скорости движения тела: чем больше скорость движения, тем медленнее течет время, и наоборот. Если бы материальные тела могли двигаться со скоростью, равной скорости света, то время остановилось бы совсем.

В связи с началом освоения космоса в научно-по­ пулярной литературе много внимания уделяется этому эффекту теории Эйнштейна (иногда его называют па­ радоксом часов). В будущих космических перелетах к другим звездам (а не внутри нашей Солнечной систе­ мы) он сыграет свою роль. Эти перелеты возможны только в том случае, если будет достигнута скорость, близкая к скорости света. Ведь самая ближайшая к нам после Солнца звезда находится на расстоянии бо­ лее четырех световых лет.

Представим себе, что космонавты будущего с боль­ шой скоростью (с двухкратным ускорением в первую половину пути и таким же торможением во вторую) летят к галактике в созвездии Андромеды. С такими же скоростью и ускорением возвращаются на Землю. Эта галактика находится от нас на расстоянии более полутора миллионов световых лет. В результате боль­ шой скорости время внутри ракеты будет идти куда медленнее, чем на Земле. По собственному времени кос­

52

монавта пройдет всего двадцать девять лет, а по зем­ ным часам пройдет три миллиона лет! Если у космо­ навта остались бы дети и были потомки, то их предок пережил бы своих пра-пра-пра-пра-пра и т. д. внуков и оказался бы моложе многих из живущих при его воз­ вращении.

Этот эффект настолько не укладывается в рамки нашего здравого смысла, что просто невозможно пове­ рить в него. Но приходится, потому что это эксперимен­ тально подтвержденный факт. В опытах на ускорите­ лях элементарных частиц — в синхрофазотронах и при изучении космических лучей, приходящих на Землю из глубин космоса (и в первом, и во втором случае элемен­ тарные частицы движутся со скоростями, близкими к скорости света), было установлено, что собственное вре­ мя частиц течет медленнее.

Нечто подобное происходит и с длинами, вернее с пространственной протяженностью тел. Чем больше скорость данного тела, тем меньше его протяженность в направлении движения в другой системе координат. Если вернуться к встрече двух космонавтов в космосе, то космонавту А будет казаться, что в ракете Б не толь­ ко время стало идти медленнее, но и сама ракета стала как бы короче. Этот эффект также подтвержден опыт­ ным путем. Интересно и то, что сами космонавты со­ вершенно не будут замечать этих эффектов, им будет казаться, что длины остались те же и время течет пообычному.

53

Мы не будем слишком углубляться в суть вопроса, так как это потребовало бы приведения довольно слож­ ных математических формул. Читатель, интересую­ щийся этими проблемами, может прочитать рекомендо­ ванные нами книги.

Из сущности теории относительности о всеобщей связи между пространством и временем вытекает за­ кон пропорциональности массы и энергии:

Е = ш- с 2,

где Е — энергия материального объекта, ш — масса, с — скорость света в вакууме (в данную формулу она входит в квадрате).

Скорость света — величина постоянная, это и опре­ деляет пропорциональность массы и энергии.

Поскольку масса есть мера способности тела сопро­ тивляться ускорению (инертная масса) и мера ее спо­ собности создавать поле тяготения и испытывать силу в этом поле (тяжелая, или тяготеющая, или весомая масса), а энергия—мера количества материального дви­ жения, то этот закон является замечательным под­ тверждением положения марксизма о том, что нет дви­ жения без материи, как и материи без движения. Эта формула показывает, что определенному количеству массы соответствует определенное количество энергии. Неуничтожимость энергии означает неуничтожимость массы, и наоборот. Формула применима ко всем физи­ ческим процессам, не исключая и процессы взаимопе­

рехода вещества и поля, в которых происходят качест­ венные изменения не только энергии, но и массы (при неизменности общего количества массы). Она доказы­ вает положение марксизма о несотворимости и неунич­ тожимое™ движения и материи (энергии и массы).

Частная теория относительности, таким образом,

установила единство пространства и времени на основе материального движения, показала, что разобщенность их допустима лишь при малых скоростях относитель­ ного движения тел. Как известно, пространство трех­ мерно и поэтому измеряется тремя координатами (дли­ на, ширина, высота). Ввиду того, что время неразрывно связано с пространством и материя движется и во вре­ мени, оно (время) рассматривается как четвертая коор­ дината. Поэтому была принята четырехмерная коорди­ натная система немецкого ученого Г. Минковского. Разделение пространства самого по себе и времени са­ мого по себе не имеет абсолютного значения. Однако при этом сами по себе пространство и время остаются, а не уходят в царство теней, как считал Минковский. Поэтому новая теория подчеркивает и различия между пространством и временем. Выражение «пространствен­ но-временной интервал» не означает сведения их друг к другу. Отсюда надо считать правильным предложе­ ние, что не пространство само по себе и не время само по себе, а пространство время в своем единстве яв­ ляются основной формой бытия материи.

** *

Частная теория относительности исходила, как бы­ ло сказано, из двух принципов: относительности и постоянства скорости света. При этом она, как и клас­ сическая физика, основывалась на геометрии Эвклида, признавала однородность пространства и времени, не связывала их с распределением тяготеющих масс и их движением. Однако изучение свойств пространства и времени показало необходимость учета влияния на них распределения и движения тяготеющих масс. Это и бы­ ло сделано Эйнштейном в общей теории относитель­ ности.

Создание общей теории относительности является, пожалуй, наиболее выдающейся заслугой Эйнштейна. Идеи специальной теории относительности носились в воздухе, к ним подходили вплотную Г. Лоренц и А. Пуанкаре, особенно последний. Если бы эту теорию не создал Эйнштейн, то через год-другой она была бы создана другим ученым.

Но совершенно другое положение с созданием об­ щей теории относительности. Те вопросы, которые зада­ вал себе Эйнштейн и ответы на которые привели его к великой теории, даже не возникали в головах других физиков. Без Эйнштейна возникновение теории тяготе­ ния задержалось бы на несколько десятилетий. Эйн­ штейн обрушил на головы своих коллег каскад настоль­ ко новых и неожиданных идей, что физики в первое

66

время растерялись. Но уже через три года началось триумфальное шествие новой теории.

Создавая эту сложнейшую теорию, Эйнштейн исхо­ дил из двух положений: 1) никакое материальное взаимодействие (в том числе и тяготение) не может распространяться в пространстве со скоростью боль­ шей, чем скорость света; 2) инертная и тяготеющая массы совпадают численно.

Классическая физика говорила о возможности мгновенного взаимодействия тел, отстоящих друг от друга на сколь угодно большие расстояния. Старое представление прямо вело к выводу о нематериальной природе движения и взаимодействия. Это был так называемый принцип дальнодействия. Такова же пози­ ция религии в данном вопросе: на каком бы расстоя­ нии бог ни находился, информацию о событиях, проис­ ходящих в любой точке мира, он получает мгновенно. Его общение со своими «представителями» на Земле происходит так же.

А теория относительности показала, что если тяго­ тение, даже в вакууме, распространяется со скоростью, не превышающей скорость света, то ясно, что и вакуум является не абсолютной пустотой, а материальной сре­ дой, передающей гравитационные взаимодействия тел. Следовательно, нет пространства без материи, так же как нет и движения без его материального носителя.

В создании теории тяготения второе положение о численном совпадении инертной и тяготеющей масс

57

(или, как его часто называют, принцип эквивалентно­ сти), пожалуй, сыграло основную роль. Рассмотрим, в чем этот принцип состоит и к каким следствиям он приводит.

Этот принцип выведен Эйнштейном из закона паде­ ния тел, открытого еще Галилеем. Альберт Эйнштейн пришел к совершенно неожиданному для всех ученых выводу, что тяжесть и инерция — это совершенно одно и то же.

Опыт Галилея заключался в следующем: с верши­ ны знаменитой падающей башни в г. Пизе ученый бро­ сал вниз предметы различного веса (два железных ядра в сто и один фунт), стремясь доказать ошибочность утверждения древнегреческого ученого Аристотеля: «Скорость падения пропорциональна весу падающих тел». Галилей был прав, считая, что все тела падают с одинаковой скоростью независимо от их веса. Более то­ го, он сделал и другой вывод: тела во время своего па­ дения вообще не имеют веса. Это явление ныне мы называем невесомостью.

В результате этих опытов Галилей установил, что падающее тело сначала летит медленно,' а потом все быстрее. Причем ускорение возрастает ежесекундно на одинаковую величину. Сейчас установлено, что это ускорение свободного падения тела под действием силы тяжести (или просто ускорение силы тяжести) равно 9,81 м/сек. Это хорошо знают парашютисты, совершаю­ щие затяжные прыжки. Перед раскрытием парашюта

58

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ