Когда-то ученые ожесточенно спорили, может ли скорость света быть конечной. Потом споры о скорости света перевернули наши представления о пространстве и времени
А потом оказалось, что свет довольно нетороплив для нашей колоссальной Вселенной, но разогнаться быстрее, увы, невозможно. Впрочем, некоторые физики все еще надеются открыть сверхсветовые частицы.
В 1676 г. датский астроном Олаф (Оле) Ремер впервые измерил скорость светового луча. Ученый наблюдал Юпитер и его спутник Ио. Он обнаружил, что движение юпитерианской луны выглядит не совсем периодичным. По мере того, как планета-гигант удаляется от Земли, появление Ио из тени Юпитера все больше отстает от графика.
Ученый верно рассудил, что дополнительные минуты требуются свету, чтобы покрыть увеличившееся расстояние до Земли. Правда, из-за несовершенства своих приборов он занизил скорость света примерно в полтора раза.
По самым свежим данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду (обычно запоминают приближенную цифру в 300 000 км/с). Другими словами, за секунду свет проходит 7,5 земных экватора.
Немудрено, что многие мыслители — например, Декарт — считали распространение света мгновенным! Но по меркам космических расстояний он не так уж и быстр. Лунный свет добирается до Земли дольше секунды, солнечный — 8 минут, свет ближайших звезд — годами, а самых далеких галактик — более 10 млрд лет.
С какой точностью известна скорость света? Ответ неожиданный: ни с какой. С 1983 года сам эталон длины жестко привязан к скорости света. Так что нынешний подход гласит: мы абсолютно точно знаем скорость света в метрах в секунду, а теперь посмотрим, насколько велик метр (для определения секунды есть свои способы).
Чем же так важна скорость света, что к ней привязывают определение метра и, значит, измерение расстояний? Для ответа нам придется познакомиться со специальной теорией относительности.
Пространство и время сходят с ума
Специальная теория относительности (СТО) была создана в начале XX в. Альбертом Эйнштейном, Анри Пуанкаре, Хендриком Лоренцом и другими учеными. Слово «теория» не должно вводить в заблуждение. Здесь оно не означает «нечто гипотетическое», как термин «теория твердого тела» не означает, что кто-то не уверен в существовании твердых тел.
СТО не просто подтверждена огромным количеством экспериментов, она стала основой работающих технологий. Усомниться в ней, конечно, никто не запретит, но без нее все равно ничего работать не будет.
Сама по себе относительность движения — очень простая вещь. Допустим, вы сидите в купе идущего поезда. Движетесь вы или нет? Относительно придорожного столба — да, относительно вагона — нет. Относительно вагона два последовательных удара вашего сердца произошли в одной и той же точке пространства. Относительно столба — в разных. Значит, бессмысленно говорить о местоположении и скорости, пока не сказано, относительно чего они измеряются. Скорость и положение в пространстве относительны.
Что же тогда абсолютно? До появления СТО считалось, что абсолютен ход времени. Часы в вагоне и на перроне показывают одинаковое время. Кроме того, абсолютна длина тел. Мы можем измерить длину движущегося вагона, ползая по нему с рулеткой или же обшаривая его радаром со станции. В обоих случаях мы получим одну и ту же величину.
Однако специальная теория относительности демонстрирует, что и длина тел, и ход времени тоже относительны. Движущиеся часы отстают от неподвижных, и не потому, что портятся, а потому, что для них замедляется само время. Оно выкидывает и еще более удивительные фокусы, о которых мы поговорим ниже.
Почему мы не замечаем всего этого? Потому что движемся слишком медленно. При скорости космического корабля 10 км/с бортовые часы будут идти лишь на 6 стомиллионных долей процента медленнее неподвижных. Только самые точные хронометры могут обнаружить этот эффект (и они его действительно обнаруживают).
Но при скорости 87% от световой время замедлится вдвое, а при 99,99% световой — более чем в 70 раз. Это прекрасно видно по нестабильным частицам, которые разгоняются в ускорителях до околосветовых скоростей.
Время их жизни отмеряется их собственными внутренними «часами», так что по нашим часам они живут непозволительно долго. Теоретически, все ближе подбираясь к скорости света, можно замедлить время в любое количество раз.
Относительно почти все…
Договорившись, относительно чего мы наблюдаем движение, мы, как говорят физики, выбираем систему отсчета. Земля и вагон — это разные системы отсчета. Ничего удивительного, что в первой пассажир движется, а во второй неподвижен.
Специальная теория относительности рассматривает только инерциальные системы отсчета (ИСО). Они так называются потому, что в них выполняется закон инерции. Этот закон гласит: если на тело не действуют никакие силы, оно либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.
Земля — классический пример ИСО (вообще-то вращение планеты делает ее слегка неинерциальной, но лишь чуть-чуть). Есть волшебное правило: система отсчета, которая прямолинейно и равномерно движется в некоторой ИСО, сама, в свою очередь, является инерциальной.
Если бы вагон все время шел с постоянной скоростью по идеально прямой дороге, он был бы инерциальной системой. Иное дело — реальный вагон (особенно в метро), который разгоняется, тормозит, поворачивает и покачивается. Положите на пол футбольный мяч и убедитесь, что закон инерции здесь не действует!
Еще Галилей и Ньютон осознавали глубочайшую истину, сегодня известную как принцип относительности. На современном языке она гласит: во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы.
Представим себе, что Ньютон провел всю жизнь в нашем идеальном вагоне. Там он открыл бы те же самые законы движения, что и на твердой земле. А в отсутствие окон даже этот великий физик не смог бы понять, что он вообще движется относительно чего-то внешнего. Ведь система отсчета идеального вагона ничем не отличается от любой другой ИСО, в том числе и прикрепленной к Земле.
…Кроме скорости света
Итак, согласно принципу относительности Галилея, нет единственно верной точки отсчета, с которой нужно изучать Вселенную. Поистине глубокое утверждение, если забыть, что оно относится только к законам механики, науки о движении тел.
Но почему только механики? Чем хуже, скажем, законы электричества и магнетизма? И Эйнштейн решился на смелый шаг. Он постулировал, что не только законы механики, но и вообще все законы физики одинаковы в любых ИСО. Это утверждение теперь известно как принцип относительности Эйнштейна, или первый постулат специальной теории относительности.
Проблема в том, что законы электродинамики жестко фиксируют скорость света. Это просто-напросто константа, входящая в уравнения электромагнитного поля. И если эти уравнения одинаковы во всех ИСО, то и скорость света тоже.
Что в этом удивительного? Представим себе, что вагон движется со скоростью 60 км/ч, а пассажир идет по нему по ходу движения. Относительно вагона скорость человека будет 5 км/ч, а относительно Земли — уже 65 км/ч. Это называется (классическим) законом сложения скоростей.
А теперь пусть перед нами не человек, а луч света из фонарика. В ИСО вагона его скорость 300 000 км/с, а в ИСО Земли? Согласно принципу относительности, тоже 300 000 км/с, ведь законы электродинамики одинаковы! На свет не распространяется привычное сложение скоростей. Скорость света не относительна, она абсолютна. Это второй постулат специальной теории относительности.
Всю СТО можно вывести из первого и второго постулатов, применив математику и изобретательность. И полученные следствия настолько удивительны, что современникам потребовалась немалая смелость, чтобы их принять.
Оценили 12 человек
14 кармы