Просте додавання швидкостей: коли це можливо?
Класика Ньютона у фізиці і понині вважається вірною, а закони її застосовуються для вирішення багатьох завдань. Тільки слід враховувати, що діють вони у звичному для нас світі, де швидкості самих різних об'єктів, як правило, не бувають значними. Уявімо ситуацію, що поїзд їде з Москви. Швидкість його переміщення становить 70 км/год. А в цей час по ходу руху з одного вагона в інший подорожує пасажир, пробігаючи 2 метри за секунду. Щоб дізнатися швидкість його переміщення щодо будинків і дерев, миготять за вікном поїзда, зазначені швидкості слід просто скласти. Оскільки 2 м/с відповідають 72 км/год, то шукана швидкість виявиться 772 км/год.
Світ високих швидкостей
Інша справа фотони і нейтрино, вони підпорядковуються зовсім іншими правилами. Для них-то і діє релятивістський закон додавання швидкостей, а показаний вище принцип вважається для них абсолютно незастосовним. Чому?Згідно спеціальної теорії відносності (СТО), будь-який об'єкт не може рухатися зі швидкістю швидше світла. Вона в крайньому разі тільки здатна бути приблизно порівнянної з цим параметром. Але якщо на секунду уявити (хоча на практиці це неможливо), що в попередньому прикладі поїзд і пасажир рухаються приблизно таким чином, то швидкість їх щодо опираються на землі предметів, повз яких проїжджає склад, виявилася б практично рівною двом світловим. А цього бути не повинно. Як виробляють розрахунки в цьому випадку? Відомий з курсу фізики 11 класу релятивістський закон додавання швидкостей представляється формулою, наведеною нижче.
Що це означає?
Якщо є дві системи відліку, швидкість якогось об'єкта щодо яких V 1 і V 2 , то для розрахунків можна користуватися вказаним співвідношенням, незалежно від значення певних величин. У разі коли обидві вони значно менша за швидкість світла, знаменник правої частини рівності практично дорівнює 1. Це означає, що формула релятивистского закону додавання швидкостей перетворюється на звичайнісіньку, тобто V 2 = V 1 + V. Слід також звернути увагу, що коли V 1 = C (тобто швидкості світла), при будь-якому значенні V, V 2 не перевищить цю величину, тобто теж виявиться рівною С.З області фантастики
З – це фундаментальна константа, величина її дорівнює 299792458 м/с. З часів Ейнштейна вважається, що жоден об'єкт у Всесвіті не може перевершити рух світла у вакуумі. Саме так можна коротко визначити релятивістський закон складання швидкостей.Проте письменники-фантасти не захотіли з цим змиритися. Вони придумували і тривають складати безліч приголомшливих історій, герої яких спростовують таке органічні. У мить ока їх космічні кораблі переміщуються в далекі галактики, що знаходяться за багато тисяч світлових років від бабусі-Землі, зводячи нанівець при цьому всі встановлені закони світобудови. Але чому Ейнштейн і його послідовники переконані, що на практиці подібного не може статися? Слід поговорити про те, з якої причини так непорушний світловий межа і недоторканний релятивістський закон складання швидкостей.
Зв'язок причин і наслідків
Світло – носій інформації. Він є відображенням реальності Всесвіту. А світлові сигнали, досягають спостерігача, відтворюють у його свідомості картини дійсності. Так буває в звичному для нас світі, де все йде своїм чередом і підпорядковується звичайним правилам. І ми з народження привчені до того, що не може бути інакше. Але якщо уявити, що все навколо змінилося, і хтось вирушив у космос, подорожуючи на сверхсветовой швидкості? Оскільки він випереджає фотони світла, світ починає бачитися йому як на кіноплівці, прокрученої тому. Замість завтра для нього настає вчора, потім позавчора і так далі. А завтрашній день він ніколи не побачить, доки не зупиниться, звичайно. До речі, подібну ідею теж активно взяли на озброєння письменники-фантасти, створюючи таким принципам аналог машини часу. Їх герої потрапляли в минуле і подорожували там. Однак руйнувалися причинно-наслідкові зв'язки. І виявлялося очевидно, що на практиці таке навряд чи можливо.Інші парадокси
Причина не може випереджати слідство. Це суперечить нормальній людській логіці, адже у Всесвіті має бути порядок. Проте СТО передбачає й інші парадокси. Вона мовить, що, якщо навіть поведінка об'єктів підкоряється строгому визначенню релятивистского закону додавання швидкостей, в точності зрівнятися у швидкості переміщення з фотонами світла йому теж неможливо. Чому? Та тому що починають відбуватися в повному сенсі чарівні перетворення. Маса нескінченно збільшується. Розміри матеріального об'єкта в напрямку руху необмежено наближаються до нуля. І знову ж пертурбацій з часом повністю уникнути не вдається. Воно хоч і не рухається назад, але при досягненні швидкості світла повністю зупиняється.Затемнення Іо
СТО стверджує, що фотони світла є найшвидшими об'єктами у Всесвіті. В такому випадку, як же вдалося виміряти їх швидкість? Просто людська думка виявилася спритніший. Вона змогла вирішити таку дилему, а наслідком її і став релятивістський закон складання швидкостей. Подібні питання вирішувалися ще в часи Ньютона, зокрема, у 1676 році датським астрономом О. Ремером. Він зрозумів, що швидкість надшвидкого світла можливо визначити лише в тому випадку, коли він проходить величезні відстані. Подібне, як він подумав, буває можливим тільки на небі. А випадок втілити зазначену ідею в життя незабаром представився, коли Ремер спостерігав у телескоп затемнення одного із супутників Юпітера під назвою Іо. Проміжок часу між входом в затемнення і появою в полі зору цієї планети в перший раз склав близько 425 години. І на цей раз все приблизно відповідало попередніми розрахунками, проведеними згідно відомому періоду обігу Іо. Через кілька місяців Ремер знову справив свій експеримент. У цей період Земля значно віддалилася від Юпітера. І виявилося, що Іо запізнився показати свій лик на 22 хвилини в порівнянні зі зробленими раніше припущеннями. Що це означало? Пояснення було в тому, що супутник зовсім не затримався, а ось світловим сигналами від нього знадобилося деякий час, щоб подолати значну відстань до Землі. Зробивши на основі цих даних розрахунки, астроном підрахував, що швидкість світла дуже значна і складає близько 300000 км/с.Досвід Фізо
Провісник релятивистского закону додавання швидкостей – досвід Фізо, зроблений майже двома століттями пізніше, підтвердив правильно здогадок Ремера. Тільки відомий французький фізик в 1849 році провів лабораторні досліди. А для реалізації їх був придуманий і розроблений цілий оптичний механізм, аналог якого можна побачити на малюнку нижче.