Спеціальна теорія відносності: положення, експерименти, висновки
На початку 19 століття, світло, електрику та магнетизм стали розуміти як різні аспекти електромагнітного ефірного поля. Рівняння Максвелла доводили, що рух заряджених об'єктів продукує електромагнітне випромінювання, швидкість розповсюдження якого завжди є швидкістю світла. Ці рівняння базувалися на ідеї існування ефіру, в якому швидкість розповсюдження такого випромінювання не змінюється зі зміною швидкості джерела. Зрозуміло, що фізики намагались виміряти швидкість Землі відносно ефіру. Найвідоміша з таких спроб — експеримент Майкельсона-Морлі. Результати цих експериментів зійшлись в одному: швидкість світла не змінюється зі зміною швидкості спостерігача, тобто має бути інваріантною для всіх спостерігачів.
Ще до появи СТВ, Хендрік Лоренц та інші вже помітили, що прояви електромагнітного поля можуть бути різними в залежності від стану спостерігача. Наприклад, один може не спостерігати магнітного поля в тому ж місці де інший, який рухається відносно першого, може.
Стаття Ейнштейна "До електродинаміки тіл, що рухаються" (1905) окреслила засади спеціальної теорії відносності, основні постулати якої:
- В усіх інерційних системах відліку фізичні процеси відбуваються однаково.
- Швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела або приймача і однакова в усіх напрямах.
Ейнштейн сказав, що всі спостерігачі вимірюють швидкість світла в 186 000 миль в секунду, незалежно від того, наскільки швидко і в якому напрямку вони самі рухаються.
Це припущення спонукало коміка Стівена Райта запитати: “Якщо ви знаходитесь в космічному кораблі, який подорожує зі швидкістю світла, і ви включаєте фари, чи щось трапляється?”
Відповідь – фари включаються нормально, але лише з точки зору того, хто знаходиться всередині космічного корабля. Якщо хтось стоїть на вулиці і спостерігає, як корабель пролітає, фари, здається, не включаються: світло виходить, але воно рухається з однаковою швидкістю космічного корабля.
Ці суперечливі версії виникають через те, що лінійки та годинники – речі, що позначають час та простір – неоднакові для різних спостерігачів. Якщо швидкість світла має бути постійною, як сказав Ейнштейн, то час і простір не можуть бути абсолютними; вони повинні бути суб’єктивними.
Наприклад, космічний корабель довжиною 100 метрів, який рухається зі швидкістю 99,99%, швидкості світла буде здаватися довжиною в 1 метр стаціонарному спостерігачеві, але він залишатиметься своєї звичайної довжини для тих, хто знаходиться на борту.
Маса теж залежить від швидкості. Чим швидше рухається об’єкт, тим він стає більш масивним. Насправді жоден космічний корабель ніколи не може досягти 100% швидкості світла, оскільки його маса зростатиме до нескінченності.
Можливими є навіть дивніші факти – час проходить повільніше, чим швидше ви їдете. Якщо близнюк їде на швидкохідному космічному кораблі до якоїсь далекої зірки, а потім повернеться, він буде молодшим за іншого свого близнюка, який залишився на Землі.
Ейнштейн не намірювався порушити наше розуміння часу та простору. Він продовжив узагальнювати свою теорію, включаючи прискорення, і виявив, що це спотворює форму часу та простору.
Уявіть, що космічний корабель прискорюється. Ті, хто на борту, будуть прилипати до землі так само, як ніби вони були на Землі. Ейнштейн стверджував, що сила, яку ми називаємо гравітацією, не відрізняється від перебування на кораблі, що прискорюється.
Ейнштейн виявив, що простір і час вигнуті поблизу масивного об’єкта, і ця кривина – це те, що ми переживаємо як силу тяжіння.
Важко зобразити вигнуту геометрію загальної відносності, але якщо людина вважає простір-час як якусь тканину, то масивний предмет розтягує навколишню тканину таким чином, що все, що проходить поблизу, вже не йде за прямою лінією.
Рівняння загальної відносності прогнозують низку явищ, багато з яких підтверджені:
- згинання світла навколо масивних предметів (гравітаційне лінзування)
- гравітаційні хвилі
- існування чорних дір, які захоплюють все, включаючи світло
Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks
Один з наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна полягає в тому, що час в присутності гравітаційних полів різної сили тече неоднорідне. Чим сильніше гравітація, тим сильніше "розтягується" час. Завдяки цьому, наприклад, в околицях горизонту подій чорних дір його хід практично повністю завмирає.
Годинник на оглядовому майданчику (634 м над поверхнею Землі), йшов приблизно на 5 стотріліонних часток секунди швидше, ніж годинник на першому поверсі. За добу відставання "нижніх" годин склало приблизно 4,3 наносекунди (наносекунд - одна мільярдна частина секунди). За розрахунками дослідників, за один рік різниця між годинами склала б приблизно 1,6 мікросекунди.
Дякую за увагу!
Бажаю Вам нових ідей!
Навчаємося, бо ми цього варті!
Підписуйтесь на блог!
Підписуйтесь на канал YouTube.
Підписуйтесь на сторінку у fb. https://www.facebook.com/educationXXII/
Запрошуємо навчатися на фізичному факультеті!
Приєднуйтесь на сервер "Фізичний факультет ХНУ" на Discord:
https://discord.com/invite/ZUxcC22
