Спеціальна теорія відносності, опублікована в 1905 році Ейнштейном і стала важливим узагальненням ряду попередніх гіпотез, є однією з найбільш резонансних і обговорюваних у фізиці. Дійсно, складно уявити, що при русі об'єкта з околосветовой швидкістю фізичні процеси починають протікати для нього абсолютно незвичайним чином: скорочується його довжина, збільшується маса, а час уповільнюється. Відразу після публікації почалися спроби дискредитації теорії, які тривають і до сьогодні, хоча пройшло вже більше ста років. Це й не дивно, адже питання про те, що таке час, здавна хвилювало людство і привертав загальну увагу.

Що таке релятивізм

Суть релятивістської механіки (вона ж – спеціальна теорія відносності, далі - СТО) та її відмінність від класичної яскраво виражається прямим переведенням її назви: латинське relativus означає «відносний». В рамках СТО постулюється неминучість уповільнення часу для об'єкта при його русі відносно спостерігача. Відмінність даної теорії, запропонованої Альбертом Ейнштейном, від ньютонівської механіки і полягає в тому, що всі процеси можна розглядати тільки відносно один одного або деякого стороннього спостерігача. Перш ніж описати, у чому полягає релятивістське уповільнення часу, необхідно трохи заглибитися в питання становлення теорії і визначити, чому її формулювання взагалі стала можливою і навіть обов'язковою.

Витоки теорії відносності

До кінця XIX століття вчені прийшли до розуміння, що деякі експериментальні дані не вписуються в картину світу, засновану на базі класичної механіки. Фундаментальними протиріччями спроби закінчувалися поєднати механіку Ньютона з рівняннями Максвелла, що описують рух електромагнітних хвиль у вакуумі і суцільних середовищах. Вже було відомо, що світло – це саме така хвиля, і він повинен розглядатися в рамках електродинаміки, але сперечатися з наочною і, головне, перевіреної часом механікою було вкрай проблематично.


Протиріччя, проте, було в наявності. Припустимо, що перед рухомим поїздом закріплений ліхтар, який світить вперед. Згідно Ньютону, швидкості поїзда і світла, що виходить з ліхтаря, повинні складатися. Рівняння ж Максвелла в цій гіпотетичній ситуації просто «ламалися». Назрівала необхідність нового підходу.

Спеціальна теорія відносності

Вважати, що Ейнштейн придумав теорію відносності, було б некоректно. Насправді він звертався до робіт і гіпотезами вчених, які працювали до нього. Однак автор підійшов до питання з іншого боку і замість механіки Ньютона визнав «апріорі вірними» рівняння Максвелла. Крім знаменитого принципу відносності (по суті, сформульованого ще Галілеєм, правда, в рамках класичної механіки), такий підхід призвів Ейнштейна до цікавому твердженням: швидкість світла є постійною в усіх системах відліку. І саме цей висновок дозволяє нам говорити про можливість зміни стандартів часу при русі об'єкту.

Сталість швидкості світла

Здавалося б, твердження «швидкість світла є постійною» не є дивним. Але спробуйте уявити: ви стоїте нерухомо і дивіться, як світло віддаляється від вас з фіксованою швидкістю. Ви летите слідом за променем, але він продовжує віддалятися від вас рівно з тією ж швидкістю. Більш того, розвернувшись і полетівши в протилежну від променя бік, ви ніяк не змінити швидкість вашого видалення один від одного! Як таке можливо? Тут починається розмова про релятивістському ефекті уповільнення часу. Цікаво? Тоді читаємо далі!

Релятивістське уповільнення часу по Ейнштейну

Коли швидкість об'єкта наближається до швидкості світла, внутрішній час об'єкту, згідно з розрахунками, сповільнюється. Якщо ж припустити, що паралельно сонячному променю з аналогічною швидкістю рухається людина, час для нього перестане йти зовсім. Існує формула релятивистского уповільнення часу, що відображає його взаємозв'язок зі швидкістю об'єкта. Однак при вивченні даного питання слід пам'ятати, що жодне тіло, що володіє масою, не може навіть теоретично досягти швидкості світла.

Парадокси, пов'язані з теорією

Спеціальна теорія відносності є науковою працею і непроста для розуміння. Однак інтерес громадськості до питання про те, що таке час, регулярно породжує ідеї, на побутовому рівні здаються нерозв'язними парадоксами. Наприклад, наступний приклад ставить у глухий кут більшість людей, що знайомляться з СТО без будь-яких знань в області фізики. Існує два літаки, один з яких летить прямо, а другий злітає і, описавши дугу зі швидкістю, близькою до швидкості світла, наздоганяє перший. Передбачувано виявляється, що час для другого апарату (який летів з околосветовой швидкістю) протікало повільніше, ніж для першого. Однак, згідно з постулатом СТО, системи відліку для обох літаків рівноправні. А значить, час може протікати повільніше як для одного, так і для іншого апарата. Здавалося б, це глухий кут. Але

Дозвіл парадоксів

Насправді джерелом такого роду парадокси служить нерозуміння механізму роботи теорії. Вирішити зазначене протиріччя можна, використовуючи відомий умоглядний експеримент. У нас є сарай з двома дверима, що утворюють наскрізний прохід, і тичину, довжина якого трохи більше довжини сараю. Якщо ми протягнемо жердину від дверей до дверей, вони не зможуть закритися або ж просто зламають наш жердину. Якщо ж жердину, влітаючи в сарай, буде володіти швидкістю, близькою до швидкості світла, його довжина зменшиться (нагадаємо: у об'єкта, що рухається зі швидкістю світла, довжина буде нульовий), і в момент його знаходження всередині сарая ми зможемо закрити і відкрити двері, не зламавши наш реквізит. З іншого боку, як і в прикладі з літаком, щодо жердини повинен зменшуватися саме сарай. Парадокс повторюється, і, здавалося б, виходу немає – обидва об'єкти синхронно скорочуються в довжину. Однак згадаємо, що все відносно, і вирішимо задачу за допомогою зміни часу.

Відносність одночасності

Коли передній край жердини буде знаходитися всередині, перед передніми дверима, ми можемо її закрити і відкрити, а в той момент, коли жердину влетить у сарай повністю, зробимо те ж саме із задніми дверима. Здавалося б, ми це робимо не одночасно, і експеримент не вдався, але тут і з'ясовується головне: у відповідності зі спеціальною теорією відносності, моменти закриття обох дверей розташовуються в одній точці на осі часу. Це відбувається з тієї причини, що події, що відбуваються одночасно в одній системі відліку, не будуть одновременни в інший. Релятивістське уповільнення часу проявляється у взаємовідносинах об'єктів, і ми повертаємося до абсолютно побутового узагальнення теорії Ейнштейна: все відносно. Є ще одна деталь: рівноправність систем відліку актуальна в СТО, коли обидва об'єкти рухаються рівномірно і прямолінійно. Як тільки одне з тіл переходить до прискорення або уповільнення, його система відліку стає єдино можливою.

Парадокс близнюків

Самим знаменитим парадоксом, що пояснює релятивістське уповільнення часу «по-простому», є уявний експеримент з двома братами-близнюками. Один з них відлітає на космічному кораблі зі швидкістю, близькою до світлової, а інший залишається на землі. Повернувшись, брат-космонавт виявляє, що сам він постарів на 10 років, а його брат, який залишився вдома - на цілих 20. Загальна картина вже повинна бути зрозуміла читачеві з попередніх пояснень: для брата на космічному кораблі час сповільнюється, оскільки його швидкість близька до швидкості світла; систему відліку відносно брата-на-землі ми прийняти не можемо, оскільки вона виявиться неинерциальной (перевантаження відчуває тільки один брат). Зазначити ж хочеться інше: до якого б градуси в суперечці не доходили опоненти, факт залишається фактом: час в абсолютному його значення залишається постійним. Скільки б років брат ні літав на космічному кораблі, старіти він продовжить рівно з тією швидкістю, з якою йде час у його системі відліку, і другий брат буде старіти рівно з тією ж швидкістю – різниця виявиться тільки при їх зустрічі, і ні в якому іншому випадку.

Гравітаційне уповільнення часу

На закінчення слід зазначити, що існує другий вид уповільнення часу, пов'язаний вже з загальною теорією відносності. Ще в XVIII столітті Мітчеллом було передбачено існування ефекту червоного зсуву, що полягає в тому, що при переміщенні об'єкта між областями з сильною і слабкою гравітацією час для нього буде змінюватися. Незважаючи на спроби вивчення питання Лапласом і Зольднером, повноцінну роботу по даній темі Ейнштейн представив тільки в 1911 році. Даний ефект не менш цікавий, ніж релятивістське уповільнення часу, але він вимагає окремого вивчення. І це, як мовиться, вже зовсім інша історія.