Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Вихідним пунктом цієї теорії став принцип відносності. Класичний принцип відносності був сформульований ще Г. Галілеєм: у всіх інерціальних системах відліку рух тіл відбувається за однаковими законами. Інерційних називаються системи відліку, що рухаються один щодо одного рівномірно і прямолінійно.
Галілей роз'яснював це положення різними наочними прикладами. Уявімо мандрівника в закритій каюті спокійно пливе корабля. Він не помічає ніяких ознак руху. Якщо в каюті літають мухи, вони аж ніяк не скупчуються біля задньої її стінки, а спокійно літають по всьому об'єму. Якщо підкинути м'яч прямо вгору, він впаде прямо вниз, а не відстане від корабля, не впаде ближче до корми.
З принципу відносності випливає, що між спокоєм і рухом - якщо воно рівномірно і прямолінійно - немає ніякої принципової різниці. Різниця тільки в точці зору.
Наприклад, мандрівник в каюті корабля цілком обгрунтовано вважає, що книга, що лежить на його столі, спочиває. Але людина на березі бачить, що корабель пливе, і він має всі підстави вважати, що книга рухається до того ж з тією ж швидкістю, що і корабель. Так рухається насправді книга чи спочиває?
На це питання, очевидно, не можна відповісти просто «так» або «ні». Суперечка між мандрівником і людиною на березі був би марною тратою часу, якщо б кожен з них відстоював тільки свою точку зору і заперечував точку зору партнера. Вони обидва мають рацію, і щоб узгодити позиції, їм потрібно тільки визнати, що книга покоїться щодо корабля і рухається відносно берега разом з кораблем.
Таким чином, слово «відносність» в назві принципу Галілея не приховує в собі нічого особливого. Воно не має ніякого іншого сенсу, крім того, який ми вкладаємо в твердження про те, що рух або спокій - завжди рух або спокій щодо чогось, що служить нам системою відліку. Це, звичайно, не означає, що між спокоєм і рівномірним рухом немає ніякої різниці. Але поняття спокою і руху набувають сенсу лише тоді, коли вказана точка відліку.
Якщо класичний принцип відносності стверджував інваріантність законів механіки в усіх інерційних системах відліку, то в спеціальній теорії відносності цей принцип був поширений також на закони електродинаміки, а загальна теорія відносності стверджувала інваріантність законів природи в будь-яких системах відліку, як інерційних, так і неінерційних. Неінерційній називаються системи відліку, що рухаються з уповільненням або прискоренням.
У відповідності зі спеціальною теорією відносності, яка об'єднує простір і час в єдиний чотиривимірний просторово-часовий континуум, просторово-часові властивості тіл залежать від швидкості їх руху. Просторові розміри скорочуються в напрямку руху при наближенні швидкості тіла до швидкості світла у вакуумі (300 000 км / с), тимчасові процеси сповільнюються в бистродвіжущихся системах, маса тіла збільшується.
Перебуваючи в супутньої системі відліку, тобто рухаючись паралельно і на однаковій відстані від вимірюваної системи, не можна помітити ці ефекти, які називаються релятивістськими, так як всі використовувані при вимірах просторові масштаби та години будуть мінятися точно таким же чином. Згідно з принципом відносності, всі процеси в інерційних системах відліку протікають однаково. Але якщо система є неінерціальної, то релятивістські ефекти можна помітити і виміряти. Так, якщо уявний релятивістський корабель типу фотонної ракети вирушить до далеких зірок, то після повернення його на Землю часу в системі корабля пройде істотно менше, ніж на Землі, і ця різниця буде тим більше, чим далі здійснюється політ, а швидкість корабля буде ближче до швидкості світла. Різниця може вимірюватися навіть сотнями і тисячами років, в результаті чого екіпаж корабля відразу перенесеться в близьке чи більш віддалене майбутнє, минаючи проміжне час, оскільки ракета разом з екіпажем випала з ходу розвитку на Землі.
Подібні процеси уповільнення ходу часу в залежності від швидкості руху реально реєструються зараз у вимірах довжини пробігу мезонів, що виникають при зіткненні частинок первинного космічного випромінювання з ядрами
атомів на Землі. Мезони існують протягом 10 -6 - 10 -15 с (в залежності від типу частинок) і після свого виникнення розпадаються на невеликій відстані від місця народження. Все це може бути зареєстровано вимірювальними пристроями слідами пробігів частинок. Але якщо мезон рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, то тимчасові процеси в ньому уповільнюються, період розпаду збільшується (в тисячі і десятки тисяч разів), і відповідно зростає довжина пробігу від народження до розпаду.
Отже, спеціальна теорія відносності базується на розширеному принципі відносності Галілея. Крім того, вона використовує ще одне нове положення: швидкість поширення світла (в порожнечі) однакова в усіх інерціальних системах відліку.
Але чому так важлива ця швидкість, що судження про неї прирівнюється за значенням до принципу відносності? Справа в тому, що ми тут стикаємося з другої універсальної фізичної константою. Швидкість світла - це найбільша з усіх швидкостей в природі, гранична швидкість фізичних взаємодій. Довгий час її взагалі вважали нескінченною. Вона була встановлена в XIX в. склавши 300 000 км / с. Це величезна швидкість в порівнянні з звичайно спостерігаються швидкостями в навколишньому світі. Наприклад, лінійна швидкість обертання Землі на екваторі дорівнює 0,5 км / с, швидкість Землі в її орбітальному обертанні навколо Сонця - 30 км / с, швидкість самого Сонця в його русі навколо центру Галактики - близько 250 км / с. Швидкість руху всієї Галактики з великою групою інших галактик щодо інших таких же груп - ще в два рази більше. Разом з Землею, Сонцем і Галактикою ми летимо в космічному просторі, самі того не помічаючи, з величезною швидкістю, вимірюваної кількома сотнями кілометрів в секунду. Це величезна швидкість, але все ж і вона мала в порівнянні зі швидкістю світла.
Уявімо собі експеримент: великий супутник рухається по орбіті навколо Землі, і з нього, як з космодрому, запускається ракета - міжпланетна станція до Венери. Запуск проводиться строго в напрямку руху орбітального космодрому. Із законів класичної механіки випливає, що відносно Землі ракета буде мати швидкість, яка дорівнює сумі двох швидкостей: швидкість ракети щодо орбітального космодрому плюс швидкість самого космодрому відносно Землі. Швидкості рухів складаються, і ракета отримує досить велику швидкість, яка дозволяє подолати тяжіння Землі і полетіти до Венери.
Інший експеримент: із супутника випускається промінь світла у напрямку його руху. Щодо супутника, звідки він виданий, світло поширюється зі швидкістю світла. Яка швидкість поширення світла відносно Землі? Вона залишається такою ж. Навіть якщо світло буде випускатися не по руху супутника, а в прямо протилежному напрямку, то і тоді відносно Землі швидкість світла не зміниться.
Це - ілюстрація того найважливішого твердження, яке покладено в основу спеціальної теорії відносності. Рух світла принципово відрізняється від руху всіх інших тіл, швидкість яких менше швидкості світла. Швидкості цих тіл завжди складаються з іншими швидкостями. У цьому сенсі швидкості відносні: їх величина залежить від точки зору. А швидкість світла не складається з іншими швидкостями, вона абсолютна, завжди одна і та ж, і, говорячи про неї, нам не потрібно вказувати систему відліку.
Абсолютність швидкості світла не суперечить принципу відносності і повністю сумісна з ним. Сталість цієї швидкості - закон природи, а тому - саме у відповідності з принципом відносності - він справедливий в усіх інерційних системах відліку.
Швидкість світла - це верхня межа для швидкості переміщення будь-яких тіл природи, для швидкості розповсюдження будь-яких хвиль, будь-яких сигналів. Вона максимальна - це абсолютний рекорд швидкості. Тому часто говорять, що швидкість світла - гранична швидкість передачі інформації. І гранична швидкість будь-яких фізичних взаємодій, та й взагалі всіх мислимих взаємодій в світі.
Зі швидкістю світла тісно пов'язане рішення проблеми одночасності, яка теж виявляється відносною, тобто залежить від точки зору. У класичній механіці, яка вважала час абсолютним, абсолютної є і одночасність.
У загальній теорії відносності було розкрито нові боку залежності просторово-часових відносин від матеріальних процесів. Ця теорія підвела фізичні підстави під неевклидова геометрії і зв'язала кривизну простору і відступ його метрики від евклідовій з дією гравітаційних полів, що створюються масами тел. Загальна теорія відносності виходить із принципу еквівалентності інерційної і гравітаційної мас, кількісне рівність яких давно було встановлено в класичній фізиці. Кінематичні ефекти, що виникають під дією гравітаційних сил, еквівалентні ефектів, що виникають під дією прискорення. Так, якщо ракета злітає з прискоренням 2g, то екіпаж ракети буде почувати себе так, як ніби він знаходиться у подвоєному поле тяжіння Землі. Саме на основі принципу еквівалентності мас був узагальнений принцип відносності, затверджує в загальній теорії відносності інваріантність законів природи в будь-яких системах відліку, як інерційних, так і неінерційних.
Як можна уявити собі викривлення простору, про який говорить загальна теорія відносності? Уявімо собі дуже тонкий лист гуми і будемо вважати що це - модель простору. Розташуємо на цьому аркуші великі і маленькі кульки - моделі зірок. Ці кульки будуть прогинати лист гуми тим більше, чим більше маса кульки. Це наочно демонструє залежність кривизни простору від маси тіла і показує також, що звична нам евклідова геометрія в даному випадку не діє (працюють геометрії Лобачевського і Рімана).
Теорія відносності встановила не тільки викривлення простору під дією полів тяжіння, а й уповільнення ходу часу в сильних гравітаційних полях. Навіть тяжіння Сонця - досить невеликої зірки за космічними мірками - впливає на темп протікання часу, сповільнюючи його поблизу себе. Тому якщо ми пошлемо радіосигнал в якусь точку, шлях до якої проходить поруч із Сонцем, подорож радіосигналу займе в такому випадку більше часу, ніж тоді, коли на шляху цього сигналу - при такій же відстані -не буде Сонця. Затримка сигналу при його проходженні поблизу Сонця становить близько 0,0002 с.
Одне з найбільш фантастичних прогнозів загальної теорії відносності - повна зупинка часу в дуже сильному полі тяжіння. Уповільнення часу тим більше, чим сильніше тяжіння. Уповільнення часу проявляється в гравітаційному червоному зміщенні світла: чим сильніше тяжіння, тим більше збільшується довжина хвилі і зменшується його частота. При певних умовах довжина хвилі може спрямуватися до нескінченності, а її частота - до нуля.
Зі світлом, що випускаються Сонцем, це могло б статися, якби наше світило раптом стиснулося і перетворилося в кулю з радіусом в 3 км або менше (радіус Сонця дорівнюватиме 700 000 км). Через такого стискування сила тяжіння на поверхні, звідки і виходить світло, зросте настільки, що гравітаційне червоне зміщення виявиться дійсно нескінченним.
Відразу скажемо, що з Сонцем цього ніколи насправді не відбудеться. В кінці свого існування, через 15-20 млрд. Років, воно випробує, ймовірно, безліч перетворень, його центральна область може значно стиснутися, але все ж не так сильно.
Але інші зірки, маси яких в три і більше разів перевищують масу Сонця, в кінці свого життя і дійсно зазнають швидше за все швидке катастрофічне стиснення під дією свого власного тяжіння. Це призведе їх до стану чорної діри. Чорна діра - це фізичне тіло, що створює настільки сильне тяжіння, що червоне зміщення для світла, що випускається поблизу нього, здатне звернутися в нескінченність.
Чорні діри виникають в результаті нестримного стискання речовини під дією його власного тяжіння. Щоб виникла чорна діра, тіло повинно стиснутися до радіусу, що не перевершує відношення маси тіла до маси Сонця, помноженої на 3 км. Це критичне значення радіусу називають гравітаційним радіусом тіла.
Фізики і астрономи абсолютно впевнені, що чорні діри існують в природі, хоча до цих пір їх виявити не вдалося. Труднощі астрономічних пошуків пов'язані з самою природою цих незвичайних об'єктів. Адже нескінченне червоний зсув, через якого звертається в нуль частота прийнятого світла, робить їх просто невидимими. Вони не світять, і тому в повному сенсі цього слова є чорними. Лише по ряду непрямих ознак можна сподіватися помітити чорну діру, наприклад, в системі подвійної зірки, де її партнером була б звичайна зірка. Зі спостережень руху видимої зірки в загальному полі тяжіння такої пари можна було б оцінити масу невидимою зірки, і якщо ця величина перевищить масу Сонця в три і більше разів, можна буде стверджувати, що ми знайшли чорну діру.
Зараз є кілька добре вивчених подвійних систем, в яких маса невидимого партнера оцінюється в 5 або навіть 8 мас Сонця. Швидше за все, це і є чорні діри, але астрономи до уточнення цих оцінок воліють називати ці об'єкти кандидатами в чорні діри.
Гравітаційне уповільнення часу, мірою і свідченням якого є червоне зміщення, дуже значно поблизу нейтронної зірки, а поблизу чорної діри, у її гравітаційного радіуса, воно настільки велике, що час там ніби завмирає.
Для тіла, що потрапляє в поле тяжіння чорної діри, освіченою масою, що дорівнює 3 мас Сонця, падіння з відстані 1 млн. Км до гравітаційного радіуса займає всього близько години. Але по годинах, які покояться далеко від чорної діри, вільне падіння тіла в її поле розтягнеться в часі до безкінечності. Чим ближче падаюче тіло до гравітаційного радіусу, тим повільнішим буде представлятися цей політ віддаленою спостерігачеві. Тіло, що спостерігається здалеку, буде нескінченно довго наближатися до гравітаційному радіусу і ніколи не досягне його. В цьому проявляється уповільнення часу поблизу чорної діри.
Уявлення про простір і час, формулюються в теорії відносності Ейнштейна, на сьогоднішній день є найбільш послідовними. Але вони є макроскопічними, так як спираються на досвід дослідження макроскопічних об'єктів, великих відстаней і великих проміжків часу. При побудові теорій, що описують явища мікросвіту, ця класична геометрична картина, що припускає безперервність простору і часу (просторово-часової континуум), була перенесена на нову область без будь-яких змін. Експериментальних даних, що суперечать застосування теорії відносності в мікросвіті, поки немає. Але сам розвиток квантових теорій, можливо, вимагатиме перегляду уявлень про фізичному просторі та часі. Ми вже говорили про теорію суперструн, яка представляє елементарні частинки як гармонійних коливань цих струн, пов'язує фізику з геометрією. А це означає, що ми на новому етапі розвитку науки, на новому рівні пізнання повертаємося до прогнозам А. Ейнштейна 1930 «Ми приходимо до дивного висновку: зараз нам починає здаватися, що первинну роль грає простір, матерія ж повинна бути отримана з простору , так би мовити, на наступному етапі. Ми завжди розглядали матерію первинної, а простір вторинним. Простір, образно кажучи, бере зараз реванш і "з'їдає" матерію ». Можливо, існує квант простору, фундаментальна довжина L. Ввівши це поняття, ми зможемо уникнути багатьох труднощів сучасних квантових теорій. Якщо її існування підтвердиться, то L стане третьою (крім постійної Планка і швидкості світла в порожнечі) фундаментальної постійної у фізиці. З існування кванта простору також слід існування кванта часу (рівного L / c), що обмежує точність визначення тимчасових інтервалів.