Теория относительности Эйнштейна: ее остроумное объяснение

эйнштейн с языком

Содержание:

  • Постулаты Эйнштейна: сумасшедшая природа и эксперименты на звездолете

  • Относительность одновременности

  • Следствия за причинами

  • Что до, и что после

  • Относительность времени

  • Относительность расстояний

  • Сложение скоростей: попытка вернутся в прошлое

  • Масса и энергия

  • Формула теории относительности

  • Рекомендованная литература и полезные ссылки

    Меня вызвал начальник и дал приказ:
    – Завтра отправитесь в командировку в Киев, но Одессу не покидать!
    – Есть! – щелкнул я, потому что приказ есть приказ. И пошел поразмышлять, как его все-таки выполнить. Поразмыслив, я решил, что начальник сошел с ума, мне стало его жалко, но…

    Постулаты Эйнштейна: сумасшедшая природа и эксперименты на звездолете

    В начале XX века великий физик Альберт Эйнштейн сказал своим коллегам: «Равномерное прямолинейное движение невозможно отличить от покоя, хотя скорость света не зависит от движения источника».

    Эта фраза для тогдашних ученых несла в себе примерно такой же смысл, как для меня приказ, описанный в прологе. Потому что вторая ее часть резко противоречила первой. Поехать в Киев немудрено. Остаться в Одессе еще проще. Сделать то и другое сразу — абсурд.

    Согласиться, что скорость света не зависит от движения лампы, очень просто. В XIX веке выяснилась волновая природа света, а скорость волн никак не зависит от скорости их источника. Например, звуковые волны невозможно ускорить, послав их «с разбега».

    С другой стороны, легко признать, что строго равномерные прямолинейные движения невозможно отличить от покоя. Каждый на собственном опыте почувствовал это в каюте плавно идущего парохода. Такие движения фиксируются лишь по отношению друг к другу, то есть относительны. Еще 400 лет тому назад об этом писал прозорливый Галилей.

    Как видите, по отдельности обе части эйнштейновского заявления ничуть не страшны. Совмещение же их представлялось безумным потому, что первой, казалось, нацело опровергалась вторая. Как необходимостью пребывания в Одессе нацело отвергается командировка в Киев.

    Пусть я сижу в ракете, находящейся где-то в далеком космосе. И не знаю, движусь ли я. Но хочу узнать.

    Будь вокруг неподвижный воздух, я воспользовался бы независимостью скорости звука от скорости звукового источника: дал бы с ракеты звуковой сигнал и проверил, догоняю я его волны или нет. В воздухе такая операция вполне доступна. Современные самолеты даже обгоняют рев своих двигателей: заметив внезапно наступившую относительную тишину, летчик понимает, что шум остался позади и самолет мчится в воздухе быстрее звука. Но воздуха за окном ракеты нет. Звуки молчат.

    Зато у меня есть прожектор. И так как скорость света, подобно скорости звука, не зависит от скорости источника, я решаю с помощью света обнаружить собственное движение. Вот я зажег прожектор, от него побежал световой сигнал. Стоит мне, казалось бы, узнать, нагоняю ли я его или отстаю от него в своей ракете, и дело сделано: если догоняю или отстаю, значит, движусь, если нет — стою на месте. А если, включив прожектор, я не вижу его света, значит, моя ракета обогнала свет — подобно самолету, обогнавшему звук. Возможно такое?

    Тут-то и приходится дать парадоксально-отрицательный ответ: нет, невозможно. Хоть скорость света, действительно, не зависит от движения фонаря.

    В 1881 году американец Майкельсон осуществил именно то, что захотел сделать я в своей ракете. Он зажег в лаборатории лампу и попытался проверить, можно ли зарегистрировать «погоню» за ее светом. Лаборатория-то наверняка двигалась — она находилась на Земле, мчащейся по орбите вокруг Солнца. И Майкельсон придумал остроумный способ регистрации «погони». Но из его затеи ничего не вышло. Световой луч абсолютно не «чувствовал» движения Земли, мчался с точно одинаковой скоростью и вдоль движения Земного шара по орбите, и против, и под любым углом.

    Так «несовместимое» совместилось! Стало экспериментальным фактом удивительное согласие двух «непримиримых» утверждений о движении и свете. Теперь будем называть их первым и вторым постулатами Эйнштейна. Первый — про относительность скоростей, второй — про независимость скорости света от движения лампы.

    Первый постулат — главный. А второй с огромной убедительностью его подтверждает. Если раньше была надежда хоть с помощью света отличить «абсолютное» движение от «абсолютного» покоя, то с приходом Эйнштейна она исчезла.

    И дело тут не только в свете. Не думайте, что для людей, зажмуривших глаза, физика меняется. Вместо света в формулировку второго постулата можно подставить радиоволны, тяготение, нейтрино, любое поле, распространяющееся со световой скоростью (а только такие поля и есть в природе), — постулат останется в силе. Словом, по Эйнштейну, никаким физическим экспериментом нельзя обнаружить «абсолютную» скорость. Ее просто нет. Мир таков, что в нем существуют только относительные скорости. И относительный покой.

    Альберт Эйнштейн

    В этом мире много непривычного. Главную его особенность Эйнштейн постиг, если верить биографам, «однажды утром, хорошо выспавшись». Это было открытие, перевернувшее привычный взгляд на все устройство природы — открытие относительности одновременности. Доказательство того удивительного факта, что события, одновременные для одного наблюдателя, должны быть неодновременны для другого наблюдателя, который движется относительно первого.

    Относительность одновременности

    Как зарегистрировать одновременность удаленных событий? Вряд ли вы размышляли на эту тему — она представляется безоговорочно ясной. Но это не так.

    У меня в руках два пистолета. Я раздвигаю руки, нажимаю спусковые крючки. Гремят два выстрела. Каждый из них назовем событием. Они удалены друг от друга. Согласимся, вслед за Эйнштейном, признать их одновременными, если световые сигналы о них (именно световые, а не звук выстрелов и не пули) вместе приходят в середину расстояния между ними.

    Определение это кратко. И не вызывает возражений. Использованы световые, сигналы — значит не требуется никаких оговорок о движении событий и их наблюдателей. А теперь я задам вам задачу.

    По прямой реке с неправдоподобно большой скоростью (сравнимой со скоростью света) идет пароход. На носу и корме его стоят юные школьники Женя и Володя. Они забавляются стрельбой из пугачей: играют в игру «Кто первый?» Приз — леденец. Он присуждается тому, кто стреляет раньше другого. Если же выстрелы одновременны, то объявляется ничья.

    Судят игру, ради объективности, два судьи: 1) капитан парохода, находящийся точно посередине между носом и кормой; 2) бакенщик, который стоит на берегу реки. И вот прогремели выстрелы. Капитан сразу видит оба — и Женин и Володин. И объявляет: ничья! Но бакенщик с ним не согласен. Для него выстрелы не одновременны. По его отсчету первым выстрелил Володя, стоящий на корме,— ему и надо, как считает бакенщик, присудить победу и приз. Почему же?

    Пусть в тот момент, когда световые вспышки выстрелов достигли капитана (пришли в середину «движущегося» корабля), капитан проехал точно мимо бакенщика. Но если так, то бакенщик стоит не в середине «берегового» расстояния между выстрелами: ведь пароход успел сместиться вперед, пока свет выстрелов бежал к наблюдателям. Поэтому, хоть бакенщик тоже видит сразу оба выстрела, он обязан признать их неодновременными, ибо находится не в середине расстояния между ними.

    Вот вам и недоумение: два наблюдателя, пребывая в одном месте, по-разному оценили одни и те же события. Для капитана выстрелы одновременны, для бакенщика — не одновременны. Первым бакенщик объявит более далекий от него выстрел, кормовой, так как свет кормового выстрела проскочил середину «берегового» расстояния раньше, чем туда попал свет нового выстрела.

    Хочется спросить, а каковы же эти события «в действительности»? Может быть, «неподвижный» бакенщик прав, а «движущийся» капитан ошибается? Или наоборот: прав капитан, а ошибся бакенщик?

    Нет. Правы оба. Оба честно и строго применили эйнштейновский способ проверки одновременности событий. Их отсчеты и мнения физически равноправны, ибо благодаря соблюдению постулатов ни у одного нет преимущества перед другим. Можно принять, что покоился капитан, а двигался бакенщик вместе с берегом, Землей и всей Вселенной. Не играет роли и относительное движение выстрелов, создавших световые сигналы. Итак, игра не удалась. Леденец остался непринужденным. Выяснить «подлинную» последовательность событий оказалось невозможно. Все зависит от относительного движения судей — наблюдателей. И никакого «в действительности» не существует, как нет «истинной», «абсолютной» скорости, а есть только относительная.

    Следствия за причинами

    Заменим пугачи настоящими пистолетами. А Женю и Володю — отчаянными дуэлянтами. Пусть теперь это Евгений Онегин (он на носу парохода) и Владимир Ленский (на корме). Судьи же становятся секундантами. Ввиду важности поединка добавим еще третьего секунданта — летчика сверхбыстрого самолета, который обгоняет наш пароход на бреющем полете.

    Дуэль

    И вот Онегин стреляет. Ленский тотчас падает. Допустим на минутку, что регистрация этих событий происходит так же, как и при неудавшейся игре «Кто первый?». Тогда, если относительность одновременности и здесь налицо, то только летчик признает, что сперва выстрелил Онегин и лишь потом погиб Ленский (это нетрудно сообразить, используя эйнштейновское определение одновременности). Капитан, как и прежде, объявит, что выстрел и падение произошли вместе, а бакенщик зафиксирует гибель Ленского до выстрела Онегина!

    Получилось сразу две вопиющих нелепости. Для капитана онегинская пуля одновременно находится в дуле пистолета и в сердце Ленского. Для бакенщика и того хуже: онегинская пуля летит в прошлое, от следствия — к причине!

    Такого, конечно, быть не может. В природе строго соблюдается принцип причинности, который гласит: для всех наблюдателей, независимо от их движения, причины любых событий должны предшествовать следствиям.

    А для исполнения этого требования нужно, оказывается, одно: чтобы пуля Онегина ни в одной системе отсчета не двигалась быстрее света.

    В нашей невозможной дуэли было как раз наоборот: по отсчету летчика пуля летела-таки быстрее света. В результате в остальных системах отсчета и возникли нелепые ситуации, спутавшие причинный ход событий. Это нетрудно доказать «от противного».

    Пусть онегинская пуля относительно летчика летит медленнее света. Тогда мимо всех трех секундантов она промчится обязательно после того, как они увидят вспышку выстрела (ведь скорость света не зависит от скорости источника). Еще позже подоспеет к ним световой образ падающего Ленского. Значит, и для бакенщика, и для капитана сперва произойдет выстрел Онегина и только потом гибель Ленского. Следствие — после причины.

    Таким образом, ради сохранения принципа причинности нам придется к двум постулатам Эйнштейна добавить третий — запрет на сигналы и действия, обгоняющие свет. Иначе поезда прибывали бы в Киев, не отправившись из Одессы, а взрослые дети являлись бы в гости к своим малолетним родителям.

    Что до, и что после

    А как быть с относительностью одновременности? Она сохраняется. Но лишь для событий, которые невозможно соединить причинной связью.

    В огороде сломался куст бузины (первое событие), и в Киеве чихнул дядька (второе событие) — вот происшествия, вообще говоря, никак не связанные между собой. Значит, они могут быть одновременными относительно каких-то наблюдателей. Но вдруг выясняется вот что: чихая, дядька задел курок ружья, благодаря чему произошел выстрел, пуля полетела в огород и сломала там куст бузины. Так складывается цепочка причин и следствий. И поэтому разрешение на одновременность пропадает.

    С точки зрения любого, как угодно движущегося, наблюдателя, сначала чихнет дядька, а потом сломается бузина. Пусть даже нет ружья, пусть дядька чихнул сам по себе, а бузина сломалась сама по себе, но если это ружье можно примыслить, не нарушая постулатов Эйнштейна, если, иначе говоря, события допускают причинную связь, то они поэтому обязательно неодновременны.

    Теперь вернем нашим событиям потерянное право на одновременность. Ради этого, оставив дядьку в Киеве, вооружим его сверхдальнобойным ружьем-лазером, которое стреляет светом, а огород устроим где-нибудь на Луне. Чихая, неуклюжий дядька опять задевает спусковой крючок, ружье стреляет, световая «пуля» летит на Луну, но попадает туда, предположим, через полсекунды после того, как там сломался куст бузины. Теперь мы вправе заявить: оба события причинно не связаны. Дядьку, несмотря на его неаккуратность, нельзя винить в поломке куста. Потому что свет от Киева до Луны (380 тысяч километров) движется больше секунды, а поломка бузины на Луне состоялась за полсекунды до прилета туда световой пули. Так наши события получили разрешение на относительную одновременность. Для наблюдателей, движущихся по-разному, они будут иметь разную последовательность либо совпадать.

    Дальше расположены события друг от друга в пространстве — шире пределы их относительной одновременности. От Земли до ближайшей звезды (Проксима Центавра) примерно сто тысяч миллиардов километров. Свет проходит этот путь за четыре года. Я с Земли посылаю к Проксиме световой (или радио) сигнал — и уверен, что любое из земных событий, произошедших в последующее четырехлетие, не связано причинной связью с любым событием на Проксиме, происходящим в любой момент на протяжении четырех лет до прибытия туда земного светового сигнала.

    Так что, если какой-нибудь бравый фантаст напишет такую фразу: «когда уставший космонавт обедал на спутнике Проксимы, в далеком Киеве его друзья встречали новый, 2067 год»,— не верьте этому фантасту. По отсчетам неодинаково движущихся наблюдателей обед космонавта может совпадать с наступлением в Киеве разных новых годов!

    теория относительности

    Относительность времени

    Начинаются приключения в стране сверхбыстрого. Они развернутся под аккомпанемент фантастически-детективного и немножко пародийного сюжета. На сцену выходит межзвездный робот-разбойник по имени Клио.

    Сейчас Клио притаился в глубинах космоса, затормозив свой пиратский звездолет в миллиарде километров от Земли, возле трассы Сириус—Харьков. И поджидает, на кого бы напасть. О! От Сириуса летит роскошный космический корабль «Заря». Он мчится почти со скоростью света. Но сверхпроворный Клио успевает прилепить к нему мину замедленного действия. Часовой механизм адской машины должен сработать через минуту. На шестьдесят делений сдвинется его секундная стрелка — и произойдет взрыв. Но взрыва нет и нет. Бандит недоумевает, смотрит на свои часы. Пять минут, десять, двадцать… «Заря» улетает…

    Знай Клио теорию относительности Эйнштейна, диверсия была бы устроена им как-нибудь иначе, потому что в природе существует явление, называемое относительностью времени. Главное, что надо понять: каждый наблюдатель путешествует в будущее медленнее, чем коллеги, движущиеся относительно него.

    Вспомним игру «Кто первый?». Все по-прежнему, только капитан ради разнообразия заменен дамой по имени Алла. А бакенщик — дамой по имени Элла. Как и раньше, для Аллы (капитана) выстрелы одновременны: Иначе говоря, промежуток времени между ними для нее равен нулю. Тогда для Эллы (бакенщика) они обязательно неодновременны — промежуток времени между ними непременно больше нуля. На часах Эллы мгновение Аллы растягивается в некую длительность.

    Продлится для бакенщика и то, что для капитана является не мгновеньем, а просто очень короткой длительностью. Если выстрелы для Аллы почти одновременны, то есть следуют друг за другом через какую-нибудь миллиардную долю секунды, то для Эллы они разделяются большим промежутком времени — двумя миллиардными долями секунды, минутой, годом, столетием — в зависимости от скорости парохода.

    С другой стороны, поскольку скорости относительны (первый постулат), собственное мгновение Эллы растягивается в длительность для Аллы. И поэтому для Эллы замедляется время Аллы.

    Получился любопытный вывод: для Эллы Алла стареет медленнее, чем она сама, а для Аллы медленнее стареет Элла. Это выглядит нелепостью. Так и тянет спросить: «А кто же на самом деле стареет медленнее?».

    Пока речь идет только о прямолинейных равномерных движениях, пока разлетевшиеся в разные стороны наблюдатели не возвращаются к точке встречи, чтобы сверить часы, календари и разглядеть друг друга, вопрос этот некорректен. Ведь никаких преимуществ друг перед другом у Аллы и Эллы нет (снова вспомните первый постулат теории относительности). Поэтому строго действует удивительное заключение об относительности их старения.

    Другое дело, если Алла вернется к Элле. Вернуть пассажира — значит его замедлить, остановить, ускорить в обратном направлении. И тем самым нарушить равномерность его движения. Тут уж к Алле нельзя отнести первый постулат. Ее движение отличимо от покоя (есть ускорение). Равноправие Аллы и Эллы пропало: потеряла право голоса Алла-пассажир. Единственно законным будет отсчет Эллы, которая не испытывала никаких ускорений. И так как для Эллы медленнее стареет Алла, то именно это соответствует истине. Медленнее стареет тот, кто возвращается.

    Фантасты очень любят этот «парадокс близнецов», недавно подтвержденный, кстати говоря, сверхточным экспериментом с микрочастицами. А относительность времени физики уже много лет наблюдают в явлении распада частиц, называемых мезонами: чем быстрее движется мезон, тем дольше он остается нераспавшимся. Его время для нас замедлено.

    Относительность расстояний

    Вам ясно: Клио оказался невеждой, он не знал относительности времени и поэтому упустил добычу. Часовой механизм мины, попав на борт мчащейся «Зари», для «неподвижного» Клио замедлил свой ход — вот причина задержки взрыва.

    Но «Зарю» вам, надо думать, жалко. Пусть она улетела от пирата, но через минуту собственного времени ее, видимо, ждет-таки катастрофа? Ведь мерзавец Клио прилепил свою мину, будучи в миллиарде километров от Земли — на таком гигантском расстоянии, что даже свет его может преодолеть только за час. «Заря» же движется хоть и быстро, но чуть-чуть медленнее света. Кажется, она должна быть в пути не меньше часа собственного времени. И в конце первой же минуты, увы, взорваться.

    К счастью, эти предположения ошибочны. По корабельному хронометру через пятьдесят секунд после злодейской диверсии «Заря» опускается на харьковском космодроме. Спустя четыре секунды после финиша дежурный техник находит и обезвреживает мину — за шесть секунд до взрыва, назначенного Клио. Таков благополучный конец.

    Как же могла «Заря» за 50 секунд одолеть миллиард километров? Не мчалась же она быстрее света! Нет. «Заря» летела медленнее света. Но прошла она не миллиард, а только около 15 миллионов километров. Почему же?

    Снова пароход. Как и раньше, он мчится с гигантской (и постоянной) скоростью по прямой реке. Но на берегу вместо бакенщика — продавщица галантерейных товаров по имени Валя. Она отмеривает вдоль берега десять метров красивой ленты и ставит ярлык: лента красивая. 10 метров. Цена 1 гривна.

    А пароход превращается в плавучий часовой магазин. Продавщицу зовут Галя. Идеально точные и тщательно сверенные часы она разложила вплотную друг к другу в одну линию по всей палубе — от кормы до носа.

    И вот, увидев издалека ленту, Галя загорается желанием купить ее. Предварительно, однако, она хочет сверить ее длину с цифрой, указанной на ярлыке, чтобы не было обмана. Скорость корабля очень велика (допустим, 260 000 километров в секунду). Поэтому для Гали измерение проносящейся ленты — проблема не из легких. Но она решает ее, воспользовавшись часами, разложенными вдоль палубы: успевает заметить, возле каких часов начало и конец мчащейся ленты оказываются в один момент времени. А затем спокойно измеряет расстояние между замеченными часами. Это и есть длина ленты.

    Измерение выполнено — и Галя возмущена: в ленте не 10, а только 5 метров. Неужели обмер? Галя отказывается от покупки, хочет писать жалобу в управление сверхбыстрой торговли, но вспоминает об относительности одновременности. Ведь то, что одновременно для Гали, неодновременно для Вали.

    Значит, с точки зрения «неподвижной» Вали, «движущаяся» Галя засекла сперва конец ленты (по ходу корабля) и только потом, когда поезд успел продвинуться вперед, начало (именно такую последовательность «одновременных» для капитана событий установил, как вы помните, бакенщик, когда судил игру «Кто первый?»). И, следовательно, для «движущейся» Гали лента короче, чем для неподвижной относительно ленты Вали.

    Повесьте ленту на пароход, а часы разложите на берегу реки — и получится наоборот: для Вали лента окажется короче, чем для Гали. Никакого обмана тут нет. А есть явление, называемое относительностью расстояний.

    Вместо ленты можно взять расстояние между двумя городами, между Землей и Сириусом. Для каждого путешественника, проходящего эти пути, говоря словами песни, «сокращаются большие расстояния». И тем заметнее, чем выше его относительная скорость. При предельной — световой — скорости они стягиваются к нулю (Галя засекает одни часы, возле которых сразу оказываются начало и конец ленты).

    Как видите, несмотря на эйнштейновское ограничение скорости, вы, в принципе, можете за пять своих минут добраться до Туманности Андромеды. Или за пять секунд. Надо только суметь достаточно разогнаться. Что, впрочем, необычайно трудно.

    Сложение скоростей: попытка вернутся в прошлое

    Помните бандита Клио? Несолоно хлебавши он прилетел на Землю, некоторое время скрывался, но его выследил великий детектив майор Прошкин. Выследил и гонится за ним. Спасаясь от преследования, Клио бросается в метро. Возле эскалатора стоит контролер. Жетона у пирата нет, и он, проскользнув мимо контролера, бежит по эскалатору вниз. Спрашивается, какова скорость Клио относительно контролера? По школьным правилам эта скорость равна сумме двух скоростей: эскалатора относительно контролера и Клио относительно эскалатора.

    Допустим, вопреки правдоподобию, что скорость эскалатора почти равна световой и Клио бежит по нему столь же быстро. Но если так, то, выходит, можно, складывая скорости, обогнать свет? И, следовательно, нарушить третий постулат? И этим способом опрокинуть принцип причинности, то есть переместиться от следствий к причинам, двинуться в прошлое, повернуть время вспять?

    И вот, удирая от погони, Клио мечтает: а вдруг, сбежав на перрон, он окажется в далеком прошлом! И начнет жить сначала… Но радужные надежды обрываются строгим возгласом:
    — Гражданин Клио, вы арестованы. Пройдемте!..— На бандита глядят усталые глаза майора Прошкина и нацелено дуло пистолета.

    Бегство в заветное прошлое не удалось. Щелкают наручники, и пойманный пират, понурившись, шагает в ближайшее отделение полиции.

    Дело в том, что школьное правило сложения скоростей в стране сверхбыстрого не действует. Ведь скорость есть расстояние, деленное на длительность, а и расстояния и длительности относительны. Для контролера метры эскалатора короче, чем его собственные, а секунды — длиннее. Знаменатель больше, числитель меньше — дробь уменьшается. Поэтому контролер, рассчитывая суммарную скорость Клио относительно себя, не может просто сложить скорости эскалатора и Клио. Суммарная скорость Клио относительно контролера будет меньше, чем требует школьное правило. Как раз настолько, чтобы не нарушался третий постулат.

    Вы вправе строить «многоэтажные» эскалаторы, пускать новые по уже идущим. В предельном случае — когда скорости каждого эскалатора приблизятся к световой и Клио понесется по последнему почти со скоростью света,— все равно суммарная скорость не достигнет точной скорости света.

    теория относительности

    Так что путь в прошлое по-прежнему закрыт, предельность скорости света подтверждена еще раз. И отчетливо видно, сколь труден разгон на высоких скоростях. Чем ближе к скорости света, чем он труднее. И у самой скорости света становится вообще невозможным.

    Масса и энергия

    Клио переменил профессию. Теперь он не бандит, а коммерсант. Поэтому наша очередная встреча с Клио — в Одессе на Привозе. Хитрый робот уговаривает багатого заграничного туриста, мультимиллионера, купить маленький прозрачно-розовый липкий предмет одесского производства и просит за него ни много ни мало — пять миллионов долларов. Этот предмет, по словам Клио, есть законсервированная энергия в количестве 125 миллионов киловатт-часов.

    Богач не прочь запастись на черный день сверхъемким концентратом энергии, доводы Клио его убеждают (их содержание будет изложено ниже), и сделка вот-вот совершится. Но тут вырастает из-под земли вездесущий майор Прошкин и запрещает торговлю.

    – Стыдно, гражданин Клио! — говорит он укоризненно. И конфискует прозрачно-розовый предмет, который оказывается обыкновенным леденцом.
    – Я ему не врал…— мямлит разочарованный жулик.
    – Знаю,— стальным голосом отвечает Прошкин,— но и не все сказали, что положено. Идите!

    На этот раз ареста не последовало. Потому что Клио, как ни странно, говорил туристу чистую правду. Вернее, частицу чистой правды. Сейчас вы поймете, в чем дело.

    Всем известно: толкнуть ядро труднее, чем бросить спичку. Массивное тело ускорить труднее, чем легкое. Ускорить — значит преодолеть инерцию тела, а мерой инерции (как известно всем шестиклассникам) служит масса. Теперь вспомним, что с увеличением относительной скорости тела разгон его становится все труднее (это доказала погоня на эскалаторе). А раз так, то можно считать: чем быстрее движется тело, тем больше его масса.

    У капитана на ладони леденец. Масса его пять граммов. Для бакенщика этот леденец чуть-чуть массивнее, потому что движется относительно него. А для протона, несущегося в космических лучах, эта маленькая конфета весит десять килограммов — относительно протона леденец мчит со скоростью, близкой к световой. И наоборот, протоны, летящие в космических лучах, для нас с вами в сотни и тысячи раз массивнее тех, что пребывают в относительной неподвижности. Физики-экспериментаторы установили этот факт с полной достоверностью. Массы тел относительны! Так же как и скорости, и длительности, и расстояния. И как энергии.

    Действительно, по мере разгона всякое тело обогащается энергией, истраченной на ускорение. И смотрите: растет энергия движения тела, растет и сопротивление дальнейшему ускорению, то есть инерция, масса. У тела, мчащегося почти со скоростью света, энергия безмерно велика и так же огромна масса. Сбавлена скорость тела — значит, уменьшена и его энергия, а вместе с ней и масса. Выходит, по энергии движущегося тела можно судить о его массе, по массе — об энергии. Та и другая изменяются вместе, одинаково. Напрашивается вывод: энергия и масса эквивалентны. Энергия и масса — две характеристики одного и того же явления — движения материи.

    Тут есть тонкость. Когда бакенщик, взяв из рук капитана леденец, «остановит» его и отправит себе в рот, масса леденца не пропадет, пять граммов ее останутся. А энергия механического движения леденца относительно бакенщика исчезнет полностью. Энергии как будто нет, а масса сохранилась. Как это сочетать с выводом об их эквивалентности?

    В предпоследней фразе — умышленная (с моей стороны) ошибка. Энергия у «оставленного» леденца не пропала. Потому что движение в нем не прекращено. Нет лишь механического перемещения леденца как целого тела. Зато есть (причем, относительно бакенщика!) беспрерывная тепловая пляска его атомов и молекул (заморозьте леденец — и он станет легче, правда, совершенно неуловимо). Есть движение электронов в атомах и между ними. Есть электрические, магнитные, ядерные силы, а они, как теперь доказано, тоже обусловлены движением — беспрерывным поглощением и испусканием микрочастиц.

    Леденец (как и любое другое тело, будь то песчинка, пушинка, капля, гора, планета) лишь внешне спокоен. Внутри, в микромире своем, это клубок молниеносных вихрей, вибраций, сдвигов, порой очень своеобразных, не похожих на привычные нам механические движения. И конечно же, этот клокочущий круговорот материи, хоть он и невидим глазом, неощутим руками, — средоточие гигантской энергии, той самой, что эквивалентна «массе покоя» — массе «остановленного» леденца.

    Формула теории относительности

    Эйнштейн подсказал нам, как просто оценить количество внутренней энергии тела. Поскольку энергия эквивалентна массе, измерить ее можно так же, как массу, взвешиванием. А перевод единиц массы в единицы энергии надо сделать по формуле, которая ныне стала общеизвестной:

    Е = mc2

    (тут Е — энергия в эргах, m — масса в граммах, с — скорость света в сантиметрах в секунду).

    Значит, один грамм массы любого вещества — 9.1020 эргов энергии. Или 25 миллионов киловатт-часов. Это относится и к леденцу, который мошенник Клио пытался сбыть богачу-туристу. По существующим расценкам цена энергии, если ее продавать на вес, — миллион долларов за грамм. Выходит, Клио не обманывал своего доверчивого покупателя. Поэтому майор Прошкин его и отпустил. Но при честной торговле покупателю объясняют, как использовать покупку. Клио же не сказал туристу, как извлечь из леденца его 125 миллионов киловатт-часов энергии. Поэтому справедливый Прошкин и ликвидировал сделку.

    теория относительности

    Вот если бы можно было сделать «леденец Эйнштейна», обсасывая который вы слизывали бы с него всю энергию-массу (каждый день — 3000 калорий), то он заменил бы вам пищу на 100 тысяч лет!

    Увы, съедая обыкновенный леденец или сжигая полено, мы извлекаем лишь ничтожные доли процента внутренней энергии вещества. Атомный взрыв освобождает около процента скрытой энергии. Термоядерные реакции (водородная бомба или ядерный пожар в недрах Солнца) — это два-три процента. А остальная гигантская внутренняя сила материи крепко скована в глубинах микромира. Ни на Земле, ни на Солнце она не прорывается наружу. Во всем мире физики ищут способы ее извлечения.

    Вот и все, пожалуй. Хоть и упрощенно, но вы познакомились с логикой специальной теории относительности Эйнштейна, познали ее суть.

    Рекомендованная литература и полезные ссылки

    • Относительности теория // Физическая энциклопедия (в 5 томах) / Под редакцией акад. А. М. Прохорова. — М.: Советская Энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 493—494. — ISBN 5-85270-034-7.
    • Суворов С. Г. Эйнштейн: становление теории относительности и некоторые гносеологические уроки // Успехи физических наук. — М., 1979. — Т. 128 (июль). — № 3.
    • Clifford M. Will. The Confrontation between General Relativity and Experiment Living Rev. Relativity 9, (2006), 3.
    • Филипп Ленард О ПРИНЦИПЕ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, ЭФИРЕ, ТЯГОТЕНИИ Архивная копия от 18 июля 2013 на Wayback Machine

    Автор: Глеб Анфилов.


  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *