Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Вместе с относительностью одновременности стали относительными и другие физические понятия. Время стало относительным, поскольку нет возможности установить, сколько его прошло между одними и теми же событиями. Для того чтобы разобраться в этом, представим себе пассажира, который направляет на зеркальный потолок луч от фонарика. Отразившись от потолка, этот луч вернётся вниз в ту же точку, из которой он вышел, и таким образом пройдёт расстояние, равное двойной высоте вагона. Но наблюдатель, стоящий на перроне, увидит другую картину. За то время, что луч света пройдёт от фонарика до зеркала, само зеркало вследствие движения поезда переместится. Пока луч будет возвращаться, фонарик переместится ещё на такое же расстояние. Таким образом, для наблюдателя на платформе свет пройдёт большее расстояние, чем для наблюдателей в поезде. Но ведь скорость света абсолютна, она одинакова и для пассажиров, и для людей, стоящих на перроне. По этой причине можно сделать вывод, что между отправлением и возвращением света на перроне прошло больше времени, чем в поезде. Само собой разумеется, что находящиеся в поезде пассажиры будут думать наоборот. Ведь они могут считать, что находятся в покое, а перрон едет мимо них. С их точки зрения, перронные часы будут показывать большее время по сравнению с теми часами, которые находятся в поезде. Каждый наблюдатель будет думать, что любые движущиеся относительно него часы спешат.

Относительность расстояния.

Посмотрим теперь, что происходит при таких высоких скоростях с пространством. Представьте себе, что поезд Эйнштейна проносится мимо перрона, имеющего длину 2 400 000 км (рис. 185). Если он движется со скоростью 240 000 км/с, то по показаниям станционных часов голова поезда проскочит этот перрон за 10 с. Но по часам пассажиров поезд пройдёт перрон за меньшее время, скажем, за 6 с. Значит, при той же скорости длина перрона будет уже не 2 400 000 км, а 240 000 • 6 = 1 440 000 км. Точно так же и длина самого поезда для сидящих в нём пассажиров будет больше, чем для стоящих на перроне наблюдателей. Если разобраться, то в этом нет ничего удивительного. Мы ведь знаем, что, если два человека смотрят друг на друга с большого расстояния, то каждому из них кажется, что другой меньше его, хотя на самом деле они могут быть одного роста.

Относительность массы

Теория относительности доказывает также, что и масса тела, с точки зрения движущегося относительно неё наблюдателя, кажется большей, чем для наблюдателя, неподвижного по отношению к ней. Такую увеличенную массу называют релятивистской (от лат. relativus – относительный).

Рис. 185. Относительность расстояния: А – наблюдатели на перроне; Б – пассажир в поезде

В противоположность ей массу, измеренную относительно неподвижного наблюдателя, называют массой покоя. Поскольку все элементарные частицы движутся, как правило, с очень большой скоростью, их релятивистская масса обычно оказывается значительно больше их массы покоя. Фотон же вообще не имеет массы покоя, он всегда движется со скоростью света (или, в случае если свет распространяется не в вакууме, достаточно близкой к ней).

Скорость света – предельная скорость во Вселенной.

Из теории относительности также следует, что ничто в мире не может двигаться со скоростью, большей, чем скорость света. Если какой-либо объект будет двигаться со скоростью света, его длина будет восприниматься со стороны как нулевая, время на нём– остановившимся, а масса – бесконечно большой. При этом наблюдатели, находящиеся на этом объекте, никаких изменений не заметят. Поэтому все рассуждения о том, что произойдёт с космическим кораблём, если он будет лететь со сверхсветовой скоростью, следует оставить писателям-фантас там.

Теория относительности и повседневная жизнь

Таким образом, теория относительности вносит поправки в классическую механику Ньютона. Из этого ни в коем случае не следует, что эту механику надо отбросить. Поправки теории относительности, или, как их называют, релятивистские поправки, практически абсолютно незаметны при тех скоростях, с которыми мы сталкиваемся в реальной жизни. Поэтому в повседневной жизни мы вполне можем обходиться классической механикой, а релятивистские поправки учитывать только при исследовании либо макромира с его огромными скоростями и расстояниями, либо микромира, где расстояния весьма невелики, но скорости часто бывают огромными.

Всё, о чём здесь было рассказано, относится к специальной теории относительности. Существует ещё общая теория относительности, разработанная Эйнштейном позже. Она затрагивает вопросы геометрии Вселенной и её связь с гравитацией. Её мы в этом учебнике рассматривать не будем.

Проверьте свои знания

1. Какая физическая величина считается абсолютной в теории относительности?

2. Какие физические величины по-разному оцениваются наблюдателями, движущимися относительно друг друга?

3. Почему в повседневной жизни при физических и инженерных расчётах не используют релятивистские поправки?

Задания