Физика с Эйнштейном. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас

уж часто, даже небесная механика не всегда его применяет. Например, при вращении Земли вокруг Солнца, со скоростью около 30 километров в секунду, отклонения составляют всего 100 миллионных долей процента.

Преобразование Галилея дает хороший приблизительный результат, но, строго говоря, оно неточно. Зато преобразование Лоренца работает не только для электродинамики, но и для классической механики. Это и доказал Эйнштейн.

Но для этого ему понадобилось новое понятие «одновременности»: абсолютного времени не существует, оно зависит от конкретной системы отсчета! То, что кажется одновременным одному наблюдателю, не является одновременным для другого, если он находится в другом месте, но движется с той же скоростью или движется в том же месте, но быстрее или медленнее. Таким образом, расстояния и временные промежутки не универсальны, а относительны: время может как бы растягиваться, а пространство сокращаться. Разумеется, это противоречит повседневному опыту. Но эти эффекты впоследствии были блестяще подтверждены многочисленными экспериментами.

Однако не все относительно.

Скорость света Эйнштейн признал постоянной и не зависящей от системы отсчета.

Если измерить скорость света в вакууме, она будет равна 299 792,458 километрам в секунду. Везде и всегда.

Скорость света абсолютна. Она является фундаментальной основой пространства, времени, материи и энергии; она придает миру четкую структуру с объективным порядком причин и следствий. В этом смысле теорию относительности можно было бы также назвать «теорией абсолюта».

Замедление времени, укорочение расстояний и парадокс близнецов

Одним из самых удивительных следствий специальной теории относительности является растяжение или замедление времени: для быстро движущихся часов – и вообще для всех процессов – время идет медленнее, чем для тех, что двигаются медленно или неподвижны.

«Часы, движущиеся со скоростью v идут для неподвижного наблюдателя медленнее, чем те же самые часы, если они покоятся».

«Растяжение» времени на околосветовых скоростях вызвало самые ожесточенные дискуссии. Часто этот феномен иллюстрируют с помощью так называемого парадокса близнецов (мысленный эксперимент, проделанный

Полем Ланжевеном[12] в 1911 году): астронавт, двигавшийся в космосе с большой скоростью, когда он наконец вернется на Землю, будет намного моложе своего брата-близнеца, оставшегося дома.

Растянутое время: замедление времени для различных относительных скоростей. С точки зрения неподвижного наблюдателя, чем быстрее движется система, тем медленнее проходит в ней время. Но собственное время «внутри» системы всегда идет одинаково.

Предположим, 27-летний астронавт улетает со скоростью, составляющей 98% от скорости света, на 25 световых лет к звезде Веге, а потом возвращается. Для него путешествие длилось 10 лет, и он вернется 37-летним, в то время как его брат-близнец, оставшийся на Земле уже отпразднует свой 77-й день рождения и окажется на 40 лет старше астронавта. Значит, время в корабле, движущемся со скоростью, составляющей 98% от скорости света, течет значительно медленнее, чем на Земле. (Пример упрощенный, так как в нем не учитываются фазы ускорения и торможения, которые в реальности заняли бы много времени.) Такая разница в возрасте кажется странной, но эксперименты, проводимые с атомными часами с 1970-х годов, показывают, что она реальна.

Такое замедление времени, в принципе, является способом путешествовать в будущее. Астронавт вернется на Землю молодым человеком, а его брат-близнец уже поседеет, и может быть даже умрет. Конечно, нельзя вернуться назад, в собственную молодость. И тем, кто планирует путешествие в будущее, нужно хорошо подумать о своей налоговой декларации, иначе налоговые инспектора будут очень недовольны.

Вместе с замедлением времени нужно быть готовым и к укорочению расстояний – это еще одно следствие постоянства скорости света. Ведь время и расстояние относительны. При околосветовых скоростях все расстояния укорачиваются на тот же коэффициент, на который замедляется время.

В обычной жизни эффект укорочения расстояний заметить трудно. При скорости 100 километров в час метровый стержень укорачивается всего на 0,000 000 000 004 миллиметра. Но при 90 процентах от скорости света любой объект станет короче уже на 44%. А если астронавт полетит к Веге со скоростью, составляющей 98% от скорости света, то через 5 лет в своей системе отсчета он преодолеет расстояние в 5 – 0,98 = 4,9 световых года – в то время как с точки зрения Земли он пролетит 25 световых лет.

Замедление времени и укорочение расстояний – это свойства пространства и времени, а не вещества. Ваш живот не уменьшится оттого, что вы путешествуете с околосветовой скоростью. Пытаясь развеять многие заблуждения, в том числе и среди своих коллег, Эйнштейн писал в 1911 году:

«Вопрос о том, реально ли сокращение Лоренца, вводит в заблуждение. Нельзя назвать «реальным» то, что не существует для наблюдателя, который движется вместе с объектом наблюдения; но оно вполне реально для неподвижного наблюдателя, и в принципе его можно было бы зафиксировать с помощью физических приборов».

Этот объект кажется гораздо длиннее неподвижному наблюдателю, чем тому, который проносится мимо с большой скоростью.

Релятивистская аберрация дает возможность заглянуть за угол. Например, если игральная кость пролетает мимо находящегося в покое наблюдателя на скорости в 95% от световой, то он сможет увидеть и ту ее поверхность, которая обращена в противоположную от него сторону. (Изображение основано на компьютерной модели.)

И это еще не все. От скорости и направления движения наблюдателя зависит, какой путь, по его мнению, проходит луч света или другой движущийся объект. Этот эффект называется релятивистской аберрацией. Линии покажутся такому наблюдателю изогнутыми, а предметы искривленными. Он даже сможет увидеть то, что уже осталось позади. Даже Эйнштейн не сразу осознал это следствие специальной теории относительности. Первую теоретическую работу о «правильном» сокращении длины напечатал в 1924 году Антон Лампа[13], затем в 1959 году его выводы подтвердили Роджер Пенроуз[14] и Джеймс Террелл[15]. Наглядно этот эффект показывает компьютерная симуляция, сделанная в 1990-х годах командой Ханса Рудера[16] из Университета Тюбингена.

Цвет и яркость быстро движущегося объекта также изменяется. Если бы мы могли пролететь мимо солнца со скоростью, близкой к Скорости света, мы заметили бы, что оно стало сначала ослепительно-голубым, затем белым, потом оранжевым и наконец превратилось в тусклый темно-красный огонек в зеркале заднего вида. Это происходит потому, что при приближении световая волна как бы сжимается (и, таким образом, перемещается в более высокоэнергетическую голубую область спектра), а удаляясь от нас, она растягивается (и следовательно, обладает меньшей энергией