Як зрозуміти теорію відносності
Про те, як у знаменитій теорії Альберта Ейнштейна взаємопов’язані швидкість світла, маса, час та простір.
Як відомо, весь матеріальний Всесвіт має три виміри: вгору-вниз, вправо-вліво, вперед-назад. Четвертий вимір – це час. Разом вони і становлять просторово-часовий континуум. Але вся проблема в тому, що наші уявлення про простір і час безпосередньо залежать від швидкості, з якою ми рухаємося.
Саме взаємини між часом, простором і об’єктом, що рухається, описує спеціальна теорія відносності (СТО), розроблена Альбертом Ейнштейном в 1905 році. Пізніше її основі великий фізик створив також загальну теорію відносності (ОТО), яка, крім часу і простору, враховує інші чинники, наприклад гравітацію. Про неї ми говорити не будемо — для цього була б потрібна окрема наукова праця. Отже, приступимо до вивчення спеціальної теорії відносності!
Основні принципи теорії відносності
Перше, що треба зрозуміти для освоєння теорії відносності: рух щодо.
Це означає, що наявність чи відсутність руху завжди визначається щодо інших об’єктів. Рух та його швидкість залежать від спостерігача (того, хто дивиться на об’єкт) та системи відліку (того, звідки він дивиться).
Уявіть, що пасажир їде поїздом і читає книгу. Для нього книга нерухома, як нерухомі і крісла в поїзді, та інші пасажири (якщо вони сидять на своїх місцях, а не пробираються до вагона-ресторану, звісно). Швидкість усіх нерухомих об’єктів у поїзді, з погляду нашого пасажира-читача, дорівнюватиме нулю.
У цей час на платформі стоїть інша людина, повз яку зі свистом пролітає поїзд. Для нього і пасажир із книгою, і крісла рухаються зі швидкістю поїзда — припустимо, 200 км/год. А ось пасажири на шляху до вагон-ресторану, розташованого в голові складу, рухатимуться ще швидше: їхня швидкість складеться зі швидкістю поїзда.
Так відбувається за будь-якого складання швидкостей, але є один виняток: швидкість світла. Світло від прожектора на носі нашого поїзда завжди рухатиметься з однаковою швидкістю — 300 000 км/с.
Тут ми впритул підійшли до базових принципів, на яких будується теорія відносності:
- Принцип відносності: тих тіл, які щодо одне одного рухаються постійної швидкості чи нерухомі (як пасажир та її книга), фізичні процеси протікають однаково.
- Принцип сталості швидкості світла: швидкість світла постійна всім спостерігачів, незалежно від своїх швидкості стосовно джерела світла. Тобто, світло від ліхтаря на носі поїзда або світло від прожектора на космічному кораблі мають однакову швидкість.
Світло рухається так швидко, що його поширення здається миттєвим. Але на космічних відстанях виглядає зовсім по-іншому. Наприклад, відстань від Сонця до Землі, що становить 150 мільйонів кілометрів, світло проходить приблизно за 8 хвилин. А значить, якщо Сонце колись погасне, то ми побачимо це лише через 8 хвилин.
Наслідки теорії відносності
Що ж випливає з описаних вище принципів і як вони пов’язані з часом та простором? Теорія відносності має три основні наслідки: простір розширюється, час стискається, маса збільшується. Розберемося з кожним по порядку.
Час стискається
Ейнштейн першим зрозумів, що час не є абсолютно і залежить від системи відліку, в якій ми його спостерігаємо. Земля та далека галактика на іншому кінці Всесвіту знаходяться в різних точках не лише простору, а й часу.
Щодо рухомих об’єктів час іде повільніше. Цей факт було перевірено з використанням двох однакових атомних годинників: один прилад залишили на Землі, а інший відправили на надзвуковому літаку навколо планети. При посадці було відзначено, що годинник, який літав, на кілька тисячних секунд відстає від годинника в стані спокою.
Чим ближче швидкість об’єкта стає до швидкості світла, тим повільніше для нього протікає час. Теоретично, якщо астронавт вирушить у подорож на космічному кораблі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, він потрапить у майбутнє. Він пройде кілька тижнів, але в Землі — кілька десятиліть. Це і є відносність часу.
Простір стискається
Ще одне дивовижне наслідок відносності: коли ми бачимо об’єкт у русі, можемо спостерігати, що він стає дедалі коротшим зі збільшенням його швидкості. З точки зору спостерігача, при наближенні до швидкості світла об’єкт стає все коротшим і коротшим у напрямку руху, а перпендикулярно йому залишається в колишніх розмірах.
Припустимо, ми садимо астронавта в космічний корабель, який може рухатися зі швидкістю світла, а самі вирушаємо до затишної обсерваторії спостерігати за його подорожжю. З наближенням до швидкості світла з кораблем почне відбуватися щось дивне. Ми зауважимо, що він стає коротшим. Але зміни відбуваються лише щодо напрямку руху, ширина корабля залишається постійною. Досягши швидкості світла, він стане практично невиразним у довжину.
Напевно, нашому астронавту зараз не надто весело? Не турбуйтеся за нього: для астронавта жодних змін немає. Він так само радісно мчить назустріч космічним просторам і нічого не помічає. Простір стискується лише щодо спостерігача.
Маса збільшується
Ще одним разючим наслідком відносності є те, що зі збільшенням швидкості об’єкта його маса теж збільшується.
Маса та енергія нерозривно пов’язані. Саме це висловив Ейнштейн у знаменитому рівнянні E=mc². Ця формула показує, що енергія тіла пропорційна його масі. При передачі тілу енергії (тобто його прискорення) збільшується маса. Виходить, що частина енергії йде збільшення швидкості, а інша частина збільшує масу.
Згадаймо наш астронавт, який наближається до швидкості світла у своєму кораблі. Спостерігаючи із Землі, бачимо, що зі збільшенням швидкості корабля стає дедалі важче прискорити його, тобто дедалі більше енергії потрібно, щоб його підштовхнути. Настає момент, коли корабель досягне такої маси, що ніяка енергія у Всесвіті більше не зможе його рухати. Саме тому на практиці подорожі в часі поки що неможливі.
Якщо коротко
Отже, при наближенні швидкості світла час розширюється, простір стискається. Але відбувається все це лише в очах спостерігача, який бачить рух об’єкта щодо себе. Для астронавта у кораблі нічого не змінюється (крім збільшення маси). Але при цьому обидві точки зору є вірними. Тому теорія відносності і має таку назву.