Реферат: Г. А. Розман

Федеральное агентство по образованию РФ
Псковский государственный педагогический университет

им.С.М.Кирова
Г. А. Розман


Очерки

о

специальной теории относительности








Псков.2005г.


ББК 22.313

Р 649


Печатается по решению кафедры физики и редакционно- издательского совета ПГПУ им.С.М.Кирова


Розман, Г.А. Очерки о специальной теории относительности

Псков: ПГПУ.2005.72с.


Издано в авторской редакции

© Розман, Г.А., 2005

© Псковский государственный

педагогический университет

им.С.М.Кирова, 2005

(ПГПУ им.С.М.Кирова),2005


^ Предисловие (которое автор советует прочитать)

Этот сборник статей, посвященных изложению Специальной теории относительности (СТО*), созданной великим физиком ХХ века Альбертом Эйнштейном, можно рассматривать как отклик на то обстоятельство, что 2005 год объявлен ЮНЕСКО (гуманитарной организацией Объединенных Наций) годом СТО, годом Альберта Эйнштейна, годом Физики.

В связи с юбилеем, автор написал ряд статей, опубликованных как в центральной, так и в местной печати. Все вместе статьи сборника позволяют разобраться в содержании СТО и понять, почему лишь этой теории международная общественность отдала дань такого уважения.

Хотя СТО включена в программы школьной физики, но на изучение её отводится столь малое число часов, что учащиеся даже не успевают понять и принять то, что принципиально новое внесла СТО в понимание свойств ПРОСТРАНСТВА и ВРЕМЕНИ Поэтому выпускники наших школ очень часто стихийно остаются приверженцами первого научного толкования свойств пространства и времени, высказанного еще И. Ньютоном в ХУ11 веке, более трехсот лет назад.

Однако углублением наших знаний на природу ПРОСТРАНСТВА и ВРЕМЕНИ не ограничивается значение СТО. Он повлияла на мировоззрение людей, на философию, экономику, культуру, взаимоотношение народов и государств. Обо всем этом и будет идти речь в статьях данного сборника.

Так как статьи сборника не образуют учебного пособия по СТО (см. книгу автора «Теория относительности» Псков, изд. ПГПУ, 2005 г.), то в них встречаются повторы. Это объясняется тем, что статьи были опубликованы независимо друг от друга. И понять содержание каждой статьи было бы невозможно, без повторения принципиальных положений теории. Автор убежден, что это окажется достоинством сборника.

Для кого же предназначена эта книга? Безусловно, для любознательных, желающих понять состояние современной науки, узнать об её успехах и затруднениях. Сборник окажет помощь и учителям, и, особенно, учащимся и студентам, как дополнительный учебный материал, который можно использовать для составления рефератов и докладов.

Автор особо хочет подчеркнуть, что в литературе, и не только в популярной, но и в учебной, используются анахронизмы (устаревшие слова), которые не отражают содержания СТО, а перешли в её словарь «по инерции» от предшествующих теорий. Например, в литературе можно встретить выражение: «сокращение длины движущегося тела». На самом деле в СТО идет речь не о сокращении, а об относительности длины (в чем разница этих фраз будет пояснено в сборнике). Или можно прочитать такое выражение: «энергия эквивалентна массе». Снова указываем, что в СТО нет такого утверждения, а речь идет о фундаментальной связи двух важных характеристик вещественных тел - их массы и энергии. Можно встретить в литературе и мифическую «релятивистскую массу». Поэтому автор обращается к читателю: быть внимательным при чтении и обсуждении положений СТО как данного сборника, так и другой литературы, так как грамотность используемого словаря отражает правильность понимания физики.


Розман Г.А.

Доктор физико - математических наук,

Почетный профессор Псковского государственного

2005 г. педагогического университета
^


Юбилей физической теории (К 100-летию Специальной теории относительности) Специальная теория относительности (СТО), которой в 2005 году исполняется 100 лет, является общефизическим учением о свойствах пространства, времени и движения, пришедшим на смену тем представления об этих формах существования материи, которые господствовали в классической физике в течение 300 лет.
Родоначальниками классической физики заслуженно считаются Г. Га­лилей (1564-1642) и И. Ньютон (1643-1727). Именно Галилей устано­вил то, что мы называем принципом относительности классической физики. Он же сформулировал закон инерции, который впоследствии Ньютон включил как постулат в свою механику и назвал его первым законом.

Принцип относительности Галилея утверждает равноправие всех инерциальных систем отсчета (ИСО), в которых выполняются законы Ньютона, при изучении механических явлений, физическую неразличимость состояния равномерного прямолинейного движения и покоя. Тем са­мым отрицается возможность с помощью наблюдения механических процессов обнаружить абсолютный покой или абсолютное движение.

Но зачем так важно обнаружить эти абсолютные состояния? Дело в том, что согласно утверждениям Ньютона, на которых основывается классическая механика, пространство считается вместилищем, "ящи­ком" для всего существующего. И относительно "стенок" ящика, его границ движение и покой имеют абсолютный характер. Система отсче­та, связанная с "ящиком", является абсолютной, отличающейся от всех остальных инерциальных систем отсчета, которые движутся относительно неё равномерно и прямолинейно.

Время по Ньютону также существует само по себе, оно не связано ни с пространством, ни с материальными телами, находящимися в этом пространстве. Его ход абсолютен, равномерен во всех ИСО. Но чело­веческому повседневному опыту доступно наблюдать только относи­тельное движение и покой (перемещение по отношению к другим те­лам), измерение лишь относительных промежутков времени, непосред­ственной длительности каких-либо явлений или процессов.

Однако, чтобы представления Ньютона о пространстве и времени рассматривались как научные (а не умозрительные), необходимо было найти экспериментальное подтверждение существования абсолютных движений и времени. Так как механические процессы не могли быть использованы (об этом говорит принцип относительности Галилея), то физики обратились к наблюдению других явлений - электрических, магнитных, световых и т.д. Не останавливаясь на истории этого вопро­са, на многочисленные поиски абсолютных эффектов, укажем только, что к концу XIX в. физика в этом вопросе оказалась в тупиковом положении: абсолютное движение и покой, абсолютный ход времени не обнаруживались. Под сомнение становилось учение Ньютона о свойствах пространства, времени и дви­жения. Но ведь эти представления составляли фундамент классической физики! Следовательно, вся физика переживала кризис.

Радикальное решение проблемы сделал А. Эйнштейн (1879-1955гг) в 1905 г.: на основе анализа накопившихся фактов он пришел к выводу, что ника­кими опытами нельзя обнаружить абсолютное движение и покой, абсо­лютный ход времени; так как они вообще не существуют.

В основу своих рассуждений, на базе которых возникла новая фи­зическая теория - Специальная теория относительности, А. Эйнштейн положил два постулата, которые следуют из опытных фактов.

^ Первый постулат: нельзя обнаружить абсолютное движение или по­кой инерциальной системы отсчета, наблюдая внутри нее любое физи­ческое явление. Другими словами, все физические процессы во всех ИСО при одинаковых условиях протекают одинаково, законы природы во всех ИСО действуют одинаково. Одновременно А. Эйнштейн вводит в науку представление о материальности электромагнитного поля, в том числе и света. До этого электромагнитное поле рассматривалось как особое состояние специфической среды, заполняющей все миро­вое пространство и с которой можно было бы связать абсолютную систему отсчета - электромагнитного эфира. Но ни в одном опыте эфир не удавалось обнаружить. Признавая материальность электромагнитного поля, Эйнштейн отказывается от использования эфира как носителя электромаг­нитных волн.

^ Второй постулат утверждает, что скорость электромагнитных волн в вакууме не зависит от скорости движения источника волн или прием­ника их. Эта скорость оказывается предельной для передачи информа­ции.

Исходя из этих постулатов, Эйнштейн показал, что в отличие от классической физики, которая основана на принципе дальнодействия (бесконечно быстрой передачи взаимодействия-информации), новая физика исходит из принципа близкодействия-передачи взаимодействия от точки к точке с конечной скоростью, максимальной в вакууме.

Из постулатов Эйнштейна следовало, что ряд физических величин, которые в механике Ньютона считались абсолютными (во всех ИСО эти величины имели соответственно одно и то же численное значение), на самом деле являются относительными, т.е. численное значение, на­пример, длины, длительности, силы и т.д., зависит от условий измерения этих величин.

Опираясь на постулаты, Эйнштейн выводит новые формулы преоб­разования координат и времени при переходе от одной ИСО "L" к другой "L' ", движущейся относительно первой со скоростью V:

(1).

Из этих формул, называемых формулами Лоренца, следует не толь­ко относительность длины, но и промежутков времени, это принципиально но­вые результаты, полученные в СТО.
^ При выполнении условия
(2)

соотношения (1) переходят в известные классические формулы преобразования координат и време­ни - формулы Галилея:

(3)

Четвертая формула Галилея утверждает, что время во всех ИСО течет одинаково, иначе обстоит дело в СТО (см. 4-ю формулу Лорен­ца!).Условие (2) определяет границы применимости классических представлений. В этом проявляется один из важнейших принципов со­временной физики-принципа соответствия: всякая более общая физи­ческая теория включает в себя предшествующую как частный случай.

Из формул (1) можно получить выражения, показывающие отно­сительность длины и промежутков времени:

(4)

где величины, имеющие индекс "о", измерены в той ИСО, в которой предмет и часы неподвижны; величины l иt измерены из той ИСО, относительно которой тело и часы движутся. Величины являют­ся абсолютными, инвариантными величинами в СТО. Неверно расхо­жее утверждение, что "СТО всё сделала относительным". Не может существовать физическая теория, в которой нет абсолютных, инвари­антных величин. Именно такие величины определяют нечто, что не изменится даже после уточнения теории. На инвариантах базируется основное содержание и СТО. Такой инвариантной (абсолютной, оди­наковой) во всех ИСО величиной является и скорость электромагнит­ных волн (света) в вакууме.

Наряду с указанными выше инвариантами СТО, в ней вводятся и новые инвариантные величины. Одной из таких величин является интервал, который связывает пространственные и временные характери­стики двух разноместных и разновременных событий (обратим внима­ние, что сами эти характеристики - относительные величины!). Интер­вал вводится при помощи следующего выражения:

(5)

где индексы 1,2 относятся к рассматриваемым событиям.

Для бесконечно близких событий формула (5) запишется так:

(6)
Совокупность четырех величин x, y, z, t определяет положение собы­тия в едином пространстве-времени - мировую точку. Мы говорим о едином пространстве-времени, так как изменилось содержание време­ни. Из формул (1) видна тесная связь пространства и времени. В СТО говорят о четырех - мерности мира, имея в виду, что для описания события необходимо задание всех четырех величин x, y, z, t. Благодаря изменению хотя бы одной из этих величин, происходит изменение по­ложения мировой точки в четырехмерном пространстве-времени. Пос­ледовательное перемещение мировой точки события составляет миро­вую траекторию. В СТО говорят о четырехмерной геометрии Минковского, по имени ученого, который ввел такие обозначения для коорди­нат и времени:



В отличие от трехмерной геометрии - геометрии Евклида, которую называют "плоской" (в этой геометрии справедлива теоре­ма Пифагора , с коэффициентами, равными 1 у каждого квадратичного члена), геометрию СТО (геометрию Минковского) также называют "плоской", так как формула (6) внешне напоминает теоре­му Пифагора в четырехмерном пространстве-времени, но из-за наличия у четвертого члена в формуле (6) для интервала другого знака, чем у первых трех, эту геометрию называют "псевдоевклидовой".

И в евклидовой и в псевдоевклидовой геометриях справедливы по­стулаты Евклида, в том числе и утверждение, что кратчайшим рассто­янием между двумя точками является прямая. Так как определение прямой связывается с траекторией светового луча, то в этом обнаружи­вается связь геометрии и физики. В определении инвариантного интер­вала между двумя близкими пространственными точками и между двумя близкими мировыми точками содержится вся суть "плоской" геометрии (и евклидовой и псевдоевклидовой). Впервые на это свойство интервала обратил внимание знаменитый математик XIX в. Бернхард Риман (1826-1866) в его знаменитой лекции "О гипотезах, лежащих в основаниях геометрии" (1854 г.), в которой говорилось о том, что заданием рассто­яния между двумя близкими точками может быть определена геометрия пространства.

Знание четырехмерного интервала между двумя событиями позво­ляет определить, имеется ли между этими событиями причинно-след­ственная связь или между этими событиями не может быть такой связи. В классической механике, в которой предполагалось существование бесконечной скорости передачи взаимодействия, между всеми событи­ями должна была быть причинно-следственная связь.

Взамен формулы 2-го закона Ньютона , СТО вывела новую формулу движения материальной точки:

(7)

Если величину рассматривать как ускорение движения тела, то из анализа правой части выражения (7) следует, в отличие от утвер­ждения классической механики, что ускорение тела в СТО не всегда совпада­ет по направлению с направлением действующей силы .

Чрезвычайно важным выводом, полученным А. Эйнштейном в СТО, является установление взаимосвязи между двумя фундаментальными характеристиками вещественного тела, между его массой и энергией в покое

(8)

Для движущегося тела формула взаимосвязи принимает более слож­ный вид: (9)

В СТО рассматриваются физические объекты, которые не обладают массой (фотон, гравитон), в этом случае пользуются другой формулой, из которой формула (8) получается как частный случай:

(10)


где р - импульс физического объекта.

Вместо двух самостоятель­ных законов сохранения - энергии и количества движения, в СТО ус­танавливается единый закон сохранения энергии-импульса.

СТО является фундаментом современной физики и лежит в основе всех новейших физических теорий, ее выводы подтверждены экспери­ментально (достаточно упомянуть о высвобождении внутриядерной энер­гии, что теоретически было предсказано на основании формулы (8)).

Однако не указывая на некоторые трудности, имеющиеся в самой теории, укажем на ограниченность СТО: эта теория справедлива только в инерциальных системах отсчета. Кроме того, рассматривая однородное и изотропное пространство и однородное время, СТО автоматичес­ки не учитывает существование гравитации, которая изменяет указан­ные выше свойства пространства и времени. Связав между собой про­странство и время (см. формулы Лоренца (1)), СТО не учла влияния на них материальных тел.

Именно эти и другие недостатки СТО привели А. Эйнштейна к необ­ходимости обобщить созданную им теорию, что и было им выполнено в период с 1907 по 1916 гг. Новая физическая теория получила назва­ние Обшей теории относительности, которая, по сути дела, оказалась релятивистской теорией тяготения.

Специальная теория относительности является не только выдающейся физической теорией, углубившей наши знания о свойствах пространства, времени и движения. Она наложила отпечаток на жизнь человеческого общества, на взаимоотношения народов и государств, на экономику и культуру. Вот прочему 2005 год объявлен годом специальной теории относительности, годом науки, годом автора СТО – Альберта Эйнштейна . Таково решение гуманитарной организации при ООН –ЮНЕСКО.


Дополнение.

Кто автор той теории, которую мы называем

«Специальная теория относительности»?


Уже много лет от случая к случаю появляются публикации, в которых отвергается авторство А. Эйнштейна в создании СТО. Создателями называются Г. Лоренца и А. Пуанкаре.

То, что в науке почти одновременно у разных ученых рождаются сходные идеи – это естественно. Можно даже сказать, что у каждого открытия всегда были предшественники, способствовавшие рождению окончательной идеи.

Но, по меньшей мере, не корректно, когда авторство приписывается тем, кто совершенно иначе толковал те положения, которые являются основой теории, созданной А. Эйнштейном. Это вызывает недоумение: знают ли подобные «исследователи» истории физики саму теорию относительности или они руководствуются другими мотивами?

Чтобы указать истинного автора той теории, которую мы называем Специальной теорией относительности, проведем сопоставление толкований основных положений этой теории Лоренцом, с одной стороны, и Эйнштейном, с другой.


^ Во первых. Лоренц рассматривал свою теорию исключительно только по отношению к электродинамике.

Теория же Эйнштейна – это общефизическая теория, современная теория свойств пространства, времени и движения, применимая к любым физическим процессам.

^ Во вторых. В формулах, носящих имя Лоренца (но выведенных не им) штрихованные координаты и время рассматривались Лоренцом лишь как вспомогательные, математические величины, не имеющие физического содержания.

У Эйнштейна штрихованные координаты и время – это физические характеристики события с т. з. наблюдателя, находящегося в подвижной (штрихованной ) системе отсчета.

^ В третьих. И Лоренц, и Пуанкаре были сторонниками эфира. В их теории существовала абсолютная система отсчета, связанная с эфиром.

Эйнштейн отказался от эфира в силу его противоречивых свойств, и тем самым признал все инерциальные системы отсчета равноправными

^ В четвертых. И Лоренц, и Пуанкаре пытались «спасти» эфир, выдвигая для него различные механические модели.

Эйнштейн, отказываясь от эфира как носителя электромагнитных колебаний, признал за электромагнитным полем самостоятельной физической реальности. Именно после создания СТО Эйнштейном в физике и философии стали рассматривать два вида материи: вещество и электромагнитное поле.

В пятых. Пытаясь объяснить отрицательный результат в опыте Майкельсона, Лоренц ввел эффект динамического сокращения продольных размеров электрона, что сопровождалось сокращением продольных размеров и движущихся вещественных тел.

У Эйнштейна нет никакого сокращения, это слово чуждо теории Эйнштейна. В СТО речь идет об относительности длины и временных промежутков. Собственная длина тела и длина тела в движении – это проявление роли условий наблюдения, каждая из этих длин – реальная величина, но для разных наблюдателей. То же можно сказать и о собственной и лабораторной длительности физического процесса.

Очень важно для решения нашего вопроса мнение самого Лоренца. В книге «Теория электрона» в издании 1916 г. он писал: «Основная причина моей неудачи в том, что я был связан идеей, что только переменная t может рассматриваться как истинное время, а мое «локальное» время t` должно рассматриваться не более, как произвольная математическая величина».

Или вот еще одно, более определенное высказывание Лоренца о приоритете в создании СТО. В 1927 г. (за год до смерти) Лоренц писал: «Итак, теория относительности является фактически работой исключительно Эйнштейна».

^ На вопрос: кто же создал теорию, которая называется «Специальная теория относительности», мы можем дать однозначный ответ – автором СТО является Альберт Эйнштейн.


Можно ли бежать за светом со скоростью света?


Впервые человечество будет отмечать «дату рождения» физической теории – 100-летие с момента создания Специальной теории относительности. ЮНЕСКО (гуманитарная организация в составе ООН) объявила 2005 год годом физической науки, годом Специальной теории относительности (СТО), годом ее автора – Альберта Эйнштейна. Кто же такой Альберт Эйнштейн и что это за теория СТО, которую он создал век назад и которую так чествуют в этом году?

Расскажем все последовательно.

^ Детство, школьные годы.

Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в городе Ульме в Германии. Среднее образование ему далось нелегко. Позже он вспоминал, что «учителя в начальной школе представлялись мне сержантами, а в средней – лейтенантами». Выделяло Эйнштейна среди учеников увлечение математикой и физикой. Уже в 14 лет он ознакомился с дифференциальным и интегральным исчислением. Самостоятельное овладение наукой, чтение книг и размышление над прочитанным развило у Эйнштейна способность удивляться, увидеть нечто, что другие не замечают или не придают значение наблюдению. Еще в возрасте 5 лет его поразило поведение стрелки компаса, которая «упорно» принимала одно и то же направление на север. А в 12 лет он ставит себе вопрос: «Можно ли бежать за светом со скоростью света, что будет?»- ответ он даст, создав Специальную теорию относительности. 17-летним юношей Эйнштейн поступает в Цюрихскую (Швейцария) высшую техническую школу. Много времени он уделял физической лаборатории и чтению трудов Кирхгофа, Гельмгольца, Герца и др. Высшую техническую школу Эйнштейн окончил со средней оценкой 4,91. После окончания он два года работает от случая к случаю школьным учителем. А затем получает место эксперта в Бернском (Швейцария) бюро патентов.


^ Начало научной деятельности

В 1905 году появляются три статьи, каждой из них было достаточ­но, чтобы имя автора вошло в ис­торию физики. Это были работы по квантовой теории, о броуновс­ком движении и теории относи­тельности. Расскажем кратко суть этих работ.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк вводит понятие о квантах (порциях) света. Планк считал, что атомы излучают и поглощают свет не непрерывно, а порциями, квантами. Эйнштейн пошел дальше: кванты не только появляются при излучении, но и распространяются в виде локализованных образований, которым впоследствии дали имя «фотоны». Благодаря такому взгляду на природу света, Эйнштейн объясняет все законы фотоэффекта – вырывания электронов из металлической пластинки под действием света, открытого почти 20 лет назад, экспериментально исследованного российским физиком Лебедевым, но не понятого на основе классических физических законов. По­зднее, в 1921 году, он получил Нобе­левскую премию за эту работу.

В статье о броуновском (непрерывном) движении взвешенных ча­стиц, которое было обнаружено английским ботаником Броуном еще в 1827 г., Эйнштейн дает объяснение этому явлению: взвешенные частицы (пылинки, микроскопические кусочки чужеродных примесей) испытывают неуравновешенные «толчки» от молекул жидкости или газа. Полученная автором формула (одновременно этой проблемой занимался немецкий ученый Г. Смолуховский) – формула Эйнштейна - Смолуховжого позволяла экспериментально определять размеры молекул и их концентрацию. Считает­ся, что эта работа Эйнштейна (и Смолуховского) утвердила молекулярно-кинетическую теорию окончательно, утвердила реальность существования атомов и молекул. Эк­спериментально полученная фор­мула была проверена в 1909 г.французским физиком Перреном.

^ Специальная теория относительност
^ Еще раз об относительности промежутков времени и длины


В предыдущем очерке мы рассказали о юбилее Специальной теории относительности (СТО), которой в 2005 г исполняется 100 лет. В том очерке было объяснено, почему такое внимание уделяется этой теории, созданной великим физиком ХХ в Альбертом Эйнштейном. Многие выводы этой теории носят “парадоксальный” характер, то есть противоречат нашим обыденным представлениям о физических свойствах окружающего нас мира, противоречат нашему “здравому смыслу”. Мы взяли некоторые слова в кавычки, желая отметить, что так может говорить только тот, кто не познакомился с СТО или не понял, или не принял ее выводы.

На самом деле в этой теории нет ничего парадоксального. Просто эта теория позволила нам узнать нечто, что в обыденной жизни мы не замечаем, или для многих наших повседневных дел новые детали познания мира не существенны. Но они реальны, позволяя нам правильнее воспринимать окружающий мир, и использовать новые свойства материи на благо человечества.

Парадоксов, в указанном выше смысле, а также надуманных, чтобы отвергнуть СТО, существует столько, что в одной статье их все не рассмотреть. Поэтому проанализируем лишь два из важнейших выводов СТО:

- относительность временных промежутков-, парадоксальность которого нашему здравому смыслу “видна и ребенку”, и относительность длины тела, которая непосредственно связана с относительностью временных промежутков.

Определим сначала, что мы будем понимать под относительностью физической величины. Рассмотрим это на примере. Пусть по дороге едет автомашина. Поставим вопрос: какова скорость автомобиля? Оказывается, так спрашивать нельзя. Есть скорость автомобиля по отношению к стоящему пешеходу, к идущему (в том или ином направлении), к пассажиру транспорта того же или другого автомобиля и т.д. Мы говорим, что скорость машины разная для разных наблюдателей, или, как говорят в физике, в разных системах отсчета (более обще - в разных “лабораториях”): система отсчета “Пешеход”, система отсчета “Пассажир” … То, что скорость одного и того же тела зависит от выбора системы отсчета, то, что она разная (количественно и по направлению) для разных наблюдателей, находящихся в разных условиях, и определяет “ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ” этой характеристики движения автомашины. Все это было известно и до возникновения СТО.

Но то, что и временные промежутки (а мы, по сути дела , всегда измеряем промежутки времени) являются относительными величинами, это никак не укладывается в обычные, “житейские” представления. Каждый день мы сверяем показания наших часов с сигналом точного времени, который приходит к нам из Москвы. Но можно с уверенностью сказать, что никто из нас не вносит поправку на то, что сигнал немного запаздывает, преодолевая расстояние от Москвы до нашего местонахождения. И это не потому, что такая поправка ничтожно мала. Просто мы считаем, что сигнал точного времени приходит к нам мгновенно.

В основе классической физики, механики Ньютона, заложено утверждение: существует бесконечно быстрый сигнал, с помощь которого можно отрегулировать ход всех часов, где бы они не находились, все они будут показывать одно и то же время. Существует мировое время. Мы настолько сроднились с этим, что относительность временных промежутков, которое утверждает СТО, кажется нам парадоксальным.

Но давайте проведем анализ этого “парадокса”, исходя из положений Специальной теории относительности. А в основе этой теории лежат два постулата:1. Законы физики везде одинаковы; 2. Существует сигнал - световой сигнал (электромагнитная волна), скорость которого в вакууме (в пустоте) наибольшая, она не зависит от движения источника сигнала. Более быстрого сигнала в природе нет. Этот вывод подтвержден множеством наблюдений.

Рассмотрим мысленный эксперимент. Мы его так назовем потому, что на самом деле никакого реального опыта производить не будем, а будем только размышлять, не нарушая никаких законов природы и руководствуясь лишь сформулированными выше постулатами СТО.

Пусть имеется достаточно большой по длине железнодорожный вагон. Посредине вагона находится источник света. Распространение света вдоль вагона будут фиксировать два наблюдателя: один находится внутри вагона рядом с источником света, назовем его условно–“пассажир”, второй находится вне вагона на насыпе -“стрелочник”. Пусть вагон движется равномерно и прямолинейно слева направо. В тот момент, когда “пассажир” будет проезжать мимо “стрелочника”, загорается лампочка. В торцах вагона находятся автоматически открывающиеся двери, они открываются тогда, когда до них доходит световой сигнал, испущенный нашим источником света. Подумаем, что должен “увидеть” каждый из наших наблюдателей. Еще раз напомним, что при этом будем руководствоваться сформулированными выше постулатами СТО.

“Пассажир” будет рассуждать так: раз скорость света по всем направления одна и та же, а источник света находится посредине вагона, то двери должны открыться одновременно, в один и тот же момент времени.

Теперь проведем рассуждения за “стрелочника”. Согласно второму постулату СТО и для него свет распространяется по всем направлениям с одной и той же скоростью, с той же, какую свет имеет и в вагоне. При этом, движение вагона не влияет на скорость световой волны, которая была испущена лампочкой и уже не имеет с ней никакой связи. Это строго установленный экспериментальный факт, сомневаться в этом не нужно. Так как для стрелочника вагон движется, то задняя дверь “набегает” на световую волну, а передняя – “убегает”. Но тогда задняя дверь, с точки зрения “стрелочника”, откроется раньше, а передняя – позже. Вот мы и получили “парадокс”, парадокс с точки зрения нашей повседневной жизни, с точки зрения нашего “здравого смысла”, с точки зрения нашего бессознательного принятия, что свет распространяется мгновенно. Приход света к дверям в вагоне (для пассажира), оказывается одновременными событиями, для другого наблюдателя (стрелочника) эти события оказываются неодновременными. Но одновременность – это частный случай промежутка времени, когда начало и конец процесса во времени совпадают. Поэтому мы делаем вывод, что промежуток времени для разных наблюдателей, которые движутся относительно друг друга, численно разный, т.е. промежуток времени есть величина относительная.

Итак, мы установили, что одновременность, промежуток времени, длительность события (процесса) являются понятиями относительными. Численное значение соответствующих величин зависит от выбора системы отсчета, в которой производятся измерения.

Перейдем к доказательству относительности длины. Если тело неподвижно относительно “исследователя”, то измерить его протяженность не представляет труда: нужно определить , сколько раз масштаб укладывается в длине тела. Но ситуация усложняется, если тело движется. Поэтому сформулируем универсальное правило измерения длины: чтобы измерить длину тела, нужно одновременно засечь положения его концов. Но выше мы доказали, что одновременное для одного наблюдателя, не будет одновременным для другого, который движется относительно первого. Если засекать положение концов тела в разные моменты времени, то расстояние между метками не будет длиной тела. Получается, что длина тела есть величина относительная. Иногда можно услышать, что будто бы в СТО доказывается, что длина тела “сокращается” в направлении движения. Это ошибочное толкование относительности длины. С телом ничего не происходит. Вспомните пример, приведенной в начале статьи, в котором рассматривалась относительность скорости движения автомобиля. В разных системах отсчета (для разных, движущихся относительно друг друга наблюдателей) скорость автомобиля была разной, но с автомобилем ничего не происходило.

Эти эффекты, предсказуемые в СТО, наблюдаемы и особенно значимы, чем ближе скорость движения тела к скорости света (300 000 км/с). Да, в обыденной жизни мы встречаемся со скоростями движения тел, которые в сотни и тысячи раз меньше этой скорости. Но иначе обстоит дело в мире элементарных частиц. Именно наблюдения физических явлений в микромире, в первую очередь, подтверждают сделанные нами выводы об относительности промежутков времени и длины.

Вслед за великим поэтом Александром Сергеевичем Пушкиным отдадим дань науке, раскрывающей нам тайны природы: “О сколько нам открытий чудных готовит просвещенья дух!”. И приложим усилия и настойчивость, чтобы понять неожиданную “парадоксальность”, которую преподносит “просвещенья дух”…


^ Видимая форма тел, движущихся с релятивистской скоростью


В основополагающей статье по СТО А. Эйнштейн привел пример относительности формы движущегося тела : движущийся шар стороннему наблюдателю будет виден в виде эллипсоида с укороченной осью в направлении движения в раз, где u – скорость движения шара, с – скорость света в вакууме. Этот вывод непосредственно следовал из относительности длины движущегося тела. Однако в рассуждения А. Эйнштейна закралась «роковая» ошибка : все было бы правильно, если бы речь шла о плоской фигуре, о круге.

Лишь в 1962 г. эта ошибка была «замечена» (как мы любим преклоняться перед авторитетами – черта человеческого характера). Ниже мы покажем, что движущийся шар будет «виден» в виде… шара.

Итак, в методических целях заменим шар кубом и в вершины куба поместим горящие электрические лампочки.

Пусть куб движется слева направо со скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Эта скорость, согласно второму постулату СТО конечна и предельна. Чтобы увидеть такой куб, необходимо зафиксировать лучи, приходящие одновременно в сетчатку глаза, или на фотопластинку (пленку), или в приемник какого – либо регистрирующего устройства, воспринимающего электромагнитные волны. Однако эти волны, принятые приемником одновременно, в силу конечности скорости распространения световых волн, должны были быть испущены светящимся телом в разные моменты времени. Более удаленные точки тела должны были «послать» свет раньше, чем ближе расположенные. Но более удаленные точки в более ранний момент времени находились левее той линии, вдоль которой «смотрит» ось фотоаппарата (глаза или другого регистрирующего устройства). Таким образом, на пленке будет зафиксирована левая боковая грань куба, как если он «повернулся» в момент фотографирования. Этот «парадокс» связан с конечностью скорости света. Переходя к движущемуся шару, можно сказать, что он будет «виден» в виде шара , а не эллипсоида вращения. Количественные расчеты можно посмотреть в книге В.А Угарова Специальная теория относительности –М.,1977 г. При этом читатель убедится, что относительность продольных размеров в направлении движения не «отменяется» данным парадоксом (см. замечание в начале заметки).


«Парадокс» близнецов и другие парадоксы СТО


С момента появления СТО ее пытались опровергнуть, в частности, с помощью задач, решения которых будто бы оп­ровергают выводы СТО. Но каждый раз оказывалось, что об­наруживаемые противоречия были кажущимися, возникав­шими из-за неправильного применения положений СТО. Од­нако, за такими задачами закрепилось название «Парадоксы СТО», хотя, как будто видно из разбора некоторых из этих парадоксов, ничего парадоксального с точки зрения СТО в них нет.

«Парадокс» близнецов

Рассмотрим задачу, получившую в литературе название «парадокс близнецов». Суть ее в следующем. Один из близ­нецов находится на Земле, второй совершает путешествие на космическом корабле. Утверждается, что когда второй близнец возвратится на Землю, он обнаружит новое поко­ление людей, так как по земным часам пройдет больше вре­мени, чем по его «собственным часам». Все это действитель­но когда-нибудь произойдет, но предсказывает это не Специ­альная, а Общая теория относительности, построенная А. Эйн­штейном в 1916 году. Дело в том, что СТО рассматривает только инерциальные системы отсчета (ИСО), а из 2-х рассматриваемых в задаче систем от­счета «Земля» и «Корабль», одна («Корабль») заведомо не инерциальная: чтобы возвратиться на Землю, космонавту придется двигать­ся с ускорением (чтобы изменить направление движения), а поэтому рассуждения СТО на этом участке движения об от­носительности временных промежутков непригодны. Именно в Общей теории относ