Абсолюты теории относительности

1. Теория относительности — научная теория, объясняющая устройство нашего мира на макроуровне, объединяющая механику, электродинамику и гравитацию. Собственно термин «Теория относительности» ввёл немецкий физик Макс Планк. Внедрена в научные круги немецким ученым Альбертом  Эйнштейном путём компиляции работ Г. А. Лоренца, Минковского,  А. Пуанкаре, ну и собственных тоже. Делится на две части: Специальную и Общую.

2. Предыстория вопроса

На рубеже XIX и XX веков в среде физиков царило нарастающее уныние. Научные руководители на полном серьёзе рекомендовали своим студентам не связывать карьеру с физикой, а отправляться на юрфак, ибо почти все законы уже были вроде бы открыты, и лет через 20—30, когда последние нюансы разрешатся, кормиться на ниве физики будет уже нечем. Это, например, упоминается в биографии Макса Планка.

Одним из таких не до конца ещё выясненных нюансов был вопрос: как скрестить механику Ньютона с уравнениями Максвелла (электродинамикой). Уже было известно, что свет — это электромагнитная волна, и, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Но вот попытка поместить на движущийся поезд фонарик и посчитать, с какой там скоростью будет распространяться свет этого фонарика, заканчивалась провалом. В механике Ньютона скорости поезда и света надо было бы складывать (или вычитать), но уравнения Максвелла такого не описывали. Например, если лететь вдогонку за светом с такой же скоростью — со скоростью света, — то этот свет по уравнениям Максвелла… исчезал. Совершенно неотличимая ситуация становилась от того, как если бы никакого света и не было.

Как же разрешить эти противоречия?

Обычно физики ставили механику Ньютона на более приоритетное место и стремились подогнать уравнения Максвелла под неё. Но Эйнштейн пошел от противного: по-настоящему верны именно уравнения Максвелла, и это механика Ньютона требует доработки!

3. Эйнштейн
4. ИСО, НИСО

Постулаты Эйнштейна формулируются для ИСО.

Напомню, инерциальные системы отсчета – системы отсчета, которые находятся в состоянии покоя или движутся прямолинейно равномерно.

Неинерциальные системы отсчета – системы отсчета, которые движутся с ускорением

5. Постулаты теории относительности

1 постулат – принцип относительности

2 постулат

Скорость света в вакууме  одинакова для всех ИСО.                            

Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала

6. Черные дыры

Наличием верхнего предела скорости объясняется существование одного из самых необычных астрономических объектов – черной дыры. Интенсивное рентгеновское излучение, наблюдавшееся из определенной области звездного неба, астрономы объяснили резким ускорением звездного вещества, втягивающегося в исключительно мощный гравитационный центр. В то же время излучение непосредственно из центра в отличие от звезд отсутствует, что и послужило основанием назвать подобный астрономический объект черной дырой. Черная дыра образуется при гравитационном сжатии (коллапсе) массивной звезды. Если масса звезды более чем в 3 раза превосходит массу Солнца, ядро этой звезды, сжимаясь, достигает такой плотности, что даже свет не может преодолеть силы его тяготения

7. Следствия постулатов СТО

А) относительность одновременности

События, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, будут не одновременными в другой, если эти системы отсчёта относительно друг друга движутся.

Происходит релятивистский эффект замедления времени:

временные интервалы между событиями, происходящими в одной и той же локации ракеты — с нашей точки зрения будут длиннее, чем были бы интервалы между теми же самыми событиями, измеренными в неподвижной ракете, и тем длиннее, чем ближе её скорость к скорости света. В пределе — если бы ракета летела со скоростью света, нам бы казалось, что время в ней совсем остановилось.

Б) сокращение длины

С точки зрения неподвижного наблюдателя, движущиеся относительно него предметы имеют меньшую длину (линейные размеры в направлении движения), чем их собственная длина. Множитель, выражающий кажущееся сжатие размеров, тем сильнее отличается от 1, чем больше скорость движения предмета

В) Релятивистские законы (по слайду)

Древняя как мир формула, E=mc².

Формулы традиционной до того механики Ньютона потребовали полного пересмотра в теории относительности. Одна из таких формул — формула кинетической энергии тела. Эйнштейн ввел понятие полной энергии тела E=Ek+E0. Так возникла концепция эквивалентности массы и энергии, превосходно подтвердившаяся в ядерной физике, и лежащая в основе принципа действия ядреных бомб. В каждой массе, даже неподвижной, заключено колоссальное количество потенциальной энергии — Хиросима в этом убедилась лично. И Нагасаки подтвердит. Сам Эйнштейн, кстати, был очень недоволен, когда узнал, в каких целях генералы решили использовать его теоретические выводы.

8. Парадоксы теории относительности

А) парадокс шеста и сарая

Из СТО мы знаем, что движущиеся тела сокращаются в направлении движения. Возьмём сарай с двумя сквозными дверьми. Возьмём шест, который чуть длиннее, чем сарай. Если открыть обе двери и просунуть в них шест, то он в сарай не поместится и будет торчать из дверей по обе стороны. Воспользуемся сокращением длин — разгоним шест до такой скорости, чтобы он сократился, допустим в 2 раза, и тогда, пролетая сквозь сарай, он весь целиком там поместится! Захлопнем двери сарая, пока шест находится внутри, и тут же быстренько их откроем, чтобы не поломать шест. И мы видим следующее противоречие: система отсчёта, связанная с шестом, такая же равноправная, как и связанная с сараем. То есть, в ней будут наблюдаться те же эффекты сокращения продольных размеров, но только уже сарая! В ней сарай станет короче, и чуть более длинный изначально шест станет ещё более длинным и никогда в сарай не поместится. Значит, захлопнув двери сарая, мы обязательно сломаем шест!

Этот парадокс — один из типичных случаев, когда, используя один из эффектов СТО, человек делает далеко идущие выводы, пренебрегая другими, подчас более важными, эффектами. Сокращение длин действительно произойдёт так, как описано в парадоксе — для сарая шест окажется укороченным и поместится в нём целиком, а для шеста — сарай окажется укороченным и не сможет поместить в себя весь шест. Так где же правда?

А правда — в относительности одновременности. Сокращение длин — это второстепенный эффект, относительность же одновременности — намного же более важный. Ещё раз вспомним уже сказанное тут: события, одновременные в одной системе отсчёта, будут по СТО неодновременными в другой системе отсчёта, если системы движутся друг относительно друга. Если присмотреться к эксперименту, у нас в нём есть чётко выраженные события, одновременные в ИСО сарая — это момент, когда мы закрываем переднюю и заднюю двери сарая. Мы делаем это в ИСО сарая ОДНОВРЕМЕННО. Нетрудно догадаться, что в ИСО шеста они произойдут в разные моменты времени, а именно: когда передний конец шеста войдёт в сарай и приблизится к задней двери, она захлопнется и тут же откроется, а когда задний конец шеста сравняется с передней дверью, захлопнется и откроется, в свою очередь, и она. Таким образом, шест не сломается ни в ИСО сарая, ни в ИСО шеста.

Б) Парадокс близнецов

Парадокс близнецов окутан романтикой межзвездных перелетов и туманом неверных толкований. Широкую известность он получил благодаря формулировке Поля Ланжевена (1911 г.), которая в популярном пересказе звучит следующим образом:

Один брат-близнец остаётся на Земле, а второй отправляется в космические странствия с околосветовой скоростью. С точки зрения домоседа, двигающийся относительно него путешественник имеет замедленный ход времени. Поэтому при возвращении он окажется моложе. Однако, с точки зрения космонавта,  двигалась Земля, поэтому моложе должен оказаться брат-домосед.

Согласно СТО младше окажется улетавший и вернувшийся.

Возникает парадокс: Почему, если каждый видел, что время замедляется у другого, младше становится именно улетавший?

Простейшее объяснение. Близнец, который вернулся, неизбежно должен был изменить свою скорость. Поэтому его система отсчёта не является инерциальной. А согласно СТО равноправны только инерциальные системы. Следовательно, нет ничего удивительного, что системы оказываются несимметричными.

В) Парадокс подводной лодки

Мысленно представим себе подводную лодку, плывущую со скоростью, близкой к скорости света. Тогда, согласно специальной теории относительности, с точки зрения наблюдателя на берегу, длина лодки должна уменьшиться, плотность — увеличится, и лодка начнет тонуть. Но с точки зрения капитана лодки, наоборот, сжимается и становится более плотной вода, а лодка должна всплывать на поверхность.

Этот парадокс неразрешим в рамках специальной теории относительности, которая не учитывает действие гравитации.

Г) Парадокс тонкого человека на решетке

Некто имеет обыкновение ходить крайне быстро — настолько быстро, что релятивистское сокращение длин делает его очень тонким. Когда он идет по улице, ему нужно пройти по канализационной решетке. Человек, стоящий рядом с решеткой, не сомневается, что быстро идущий тонкий человек провалится в отверстие решетки. Однако с точки зрения быстрого ходока он сам обладает обычными размерами, а релятивистское сокращение претерпевает решетка. Для него отверстия в решетке много уже, чем для спокойно стоящего человека, и, конечно, он не думает о возможности провалиться. Кто же здесь прав? Ответ связан с относительностью свойства жесткости. Изменим условие задачи, заменив пешехода на метровый стержень. Вера в существование абсолютно жестких предметов — вредное заблуждение, и отказ от него позволяет разобраться, например, в такой, казалось бы, парадоксальной ситуации. Пусть метровый стержень сначала покоится, лежа на узкой полке в ракете, а затем полка резко откидывается вниз, и стержень начинает падать с ускорением силы тяжести. В системе ракеты стержень падает «синхронно» на всем своем протяжении, но в лабораторной системе это будет не так: там ракета мчится вправо — параллельно ориентации полки — с огромной скоростью. Поэтому в лабораторной системе отсчета сначала начинает падать правый конец метрового стержня, когда левый его конец все еще продолжает лежать на полке. В этой системе наблюдается, что стержень искривлен, что, конечно, не противоречит релятивистки сформулированному понятию «жесткости»! Итак, стержень может быть прямым в одной системе отсчета и искривленным — в другой. Аналогично и в ситуации падения стержня в отверстие. Метровый стержень не был — и не мог быть в принципе — абсолютно жестким, его правый конец выгнулся вниз, этот конец погрузился в отверстие, а за ним туда нырнул и весь стержень.

9. Адронный коллайдер

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории —  теория относительности  Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая механика, которая описывает материю на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн полагал исключительно квантово-механическое описание физической реальности неполным  и многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах теории относительности.

Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, теория супергравитации и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны огромные энергии. Для решения этой задачи был построен большой адронный коллайдер (БАК).  Это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, сокр. CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы; коллайдером (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть существующих научных теорий.

10. Заключение

Глубокий анализ содержания теории относительности важен именно сейчас, когда намечается новый этап крутой ломки теоретических представлений в связи с проникновением внутрь самих элементарных частиц и открытием принципиально новых физических процессов в космосе, протекающих в радиогалактиках и сверхзвездах или квазарах.

Анализ вопроса о предельности скорости сигналов в теории относительности может привести нас к пересмотру содержания, так называемого принципа причинности и к общему выводу о принципиальной возможности существования частиц, имеющих отрицательные и даже мнимые собственные массы. Но если такие частицы действительно существуют в природе, то их открытие приведет к радикальной перестройке всей существующей физической картины мира. А это в свою очередь приведет к новым открытиям.