Какъв е относителният закъснение? Какво е времето във физиката

Специалната теория на относителността, публикувана през 1905 г. от Айнщайн и която се превръща в важна генерализация на редица по-ранни хипотези, е един от най-резонантните и дискутирани във физиката.

Всъщност е трудно да си представим, че когато обектът се движи със скорост, близка до светлината, физическите процеси започват да се изливат по абсолютно необичаен начин: дължината му се съкращава, масата се увеличава и времето се забавя. Непосредствено след публикуването опитите започнаха да дискредитират теорията, която продължава и днес, въпреки че са изминали повече от сто години. Това не е изненадващо, защото въпросът кое е времето отдавна тревожи човечеството и привлече всеобщо внимание.

Какво е релативизма

Същността на релативистичната механика (това е специална теория на относителността, по-нататък - SRT) и нейната разлика от класическата е ясно изразена чрез директния превод на нейното име: латински relativus означава "роднина". В рамките на SRT неизбежността на времето за забавяне на обекта се прогнозира, когато се движи по отношение на наблюдателя.

Разликата между тази теория, предложена от Алберт Айнщайн, и Нютоновата механика е, че всички процеси, които се извършват, могат да се разглеждат единствено по отношение на един или друг външен наблюдател. Преди да опишем какво е относителността на дилатацията във времето, е необходимо да се вмъкнем малко по-дълбоко в въпроса за формирането на теорията и да определим защо нейната формулировка като цяло стана възможна и дори задължителна.

Произход на теорията на относителността

До края на XIX век учените стигнаха до разбирането, че някои експериментални данни не се вписват в картината на света, основана на класическата механика.

Основните противоречия завършват с опити да се комбинира Нютоновата механика с уравненията на Максуел, описващи движението на електромагнитните вълни във вакуум и непрекъснати среди. Вече беше известно, че светлината е точно такава вълна и трябва да се разглежда в рамките на електродинамиката, но е изключително проблематично да се спори с визуалната и най-важното, изпитана във времето механика.

Противоречието обаче беше очевидно. Да предположим, че преди движението на влака е фиксиран фенер, който блести напред. Според Нютон скоростта на влака и светлината, излъчвана от фенерчето, трябва да се добавят. Уравненията на Максуел в тази хипотетична ситуация просто "се счупиха". Имаше нужда от напълно нов подход.

Специална теория на относителността

Да се ​​смята, че Айнщайн излезе с теорията на относителността, би било неправилно. Всъщност той се обърна към делата и хипотезите на учените, които работеха пред него. Въпреки това, авторът се обърна към въпроса от другата страна и вместо механика Нютън разпозна "уравненията на Максуел" a priori правилно.

В допълнение към добре познатия принцип на относителността (в действителност, формулирани по-Galileo, обаче, в рамките на класическата механика), този подход е довел до интересен изявление на Айнщайн: скоростта на светлината е постоянна във всички референтни рамки. И това заключение ни позволява да говорим за възможността да променим времевите стандарти за движението на обект.

Константата на скоростта на светлината

Изглежда, че твърдението "скоростта на светлината е постоянна" не е изненадващо. Но опитайте се да си представите: стоите неподвижно и наблюдавате как светлината се отдалечава от вас с определена скорост. Вие летите след гредата, но тя продължава да се отдалечава от вас точно със същата скорост. Освен това, обръщайки се и летейки в обратна посока от гредата, не променяте скоростта на отстраняването си един от друг!

Как е възможно това? Тук започва разговор релативистичен ефект забавяне на времето. Интересува ли ви? След това прочетете нататък!

Релативистично разширяване на времето от Айнщайн

Когато скоростта на даден обект достигне скоростта на светлината, вътрешното време на обекта, според изчисленията, се забавя. Ако, от друга страна, се приеме, че човек се движи успоредно на слънчева светлина с подобна скорост, времето за него ще престане да върви изобщо. Има формула за релативистично разширяване на времето, отразяваща връзката й със скоростта на обекта.

Въпреки това, когато изучаваме този въпрос, трябва да се помни, че нито едно тяло, притежаващо маса, дори може теоретично да постигне скоростта на светлината.

Парадокси, свързани с теорията

Специалната теория на относителността е научна работа и не е лесна за разбиране. Обаче общественият интерес към въпроса кое е времето редовно създава идеи на ежедневието, които изглеждат неразрешими парадокси. Например, следващият пример обърква повечето хора, които са запознати със SRT без никакви познания по физика.

Има две равнини, едната от които лети директно, а втората слиза и описва дъгата със скорост, близка до скоростта на светлината, хваща първото. Предвижда се, че времето за второто устройство (което летеше при близка скорост) тече по-бавно, отколкото за първия. Въпреки това, в съответствие с постулата на SRT, референтните рамки за двата самолета са равни. Това означава, че времето може да тече по-бавно за едно и другото устройство. Изглежда, че това е задънена улица. Но ...

Резолюция на парадоксите

Всъщност източникът на този вид парадокс е липсата на разбиране за механизма на работата на теорията. За да се реши това противоречие, може да се използва добре известният спекулативен експеримент.

Разполагаме с плевня с две врати, образуващи проход и проход, който е малко по-дълъг от дължината на бараката. Ако изтегнем полюса от врата до врата, той не може да затвори или просто да счупи полюса ни. Ако полюс, летящи в житницата ще има скорост близка до скоростта на светлината, дължината му ще намалее (отзоваване: обект, движещ се скоростта на светлината, дължината ще бъде нула), а по време на престоя си в плевнята, ние ще бъдем в състояние да се затвори и отвори вратата, без да разбиваме нашите подпори.

От друга страна, както в примера с самолета, това трябва да се намали по отношение на полюса. Парадоксът се повтаря и очевидно няма изход - и двата обекта са синхронно съкратени по дължина. Но не забравяйте, че всичко е относително и ние ще решим проблема, като променим времето.

Релативност на едновременността

Когато предният край на полюса е вътре, пред входната врата, можем да го затворим и да го отворим, а в момента, когато полюсът влезе изцяло в хамбара, ще направим същото и при задната врата. Изглежда, че не правим това едновременно и експериментът не успя, но тук основното е ясно: в съответствие със специалната теория на относителността, моментите на затваряне на двете врати се намират в една точка от времевата ос.

Това е така, защото събитията, настъпващи едновременно в една и съща референтна рамка, няма да бъдат едновременни в другата. Релативистичното разширяване на времето се проявява в взаимовръзката на обектите и се връщаме към абсолютно ежедневното обобщение на теорията на Айнщайн: всичко е относително.

Има още един детайл: равнопоставеността на референтните системи е подходяща за SRT, когато и двата обекта се движат равномерно и праволинейно. Веднага след като едно от телата преминава към ускорение или забавяне, неговият референтен кадър става единственият възможен.

Двойно парадокс

Най-известният парадокс, обясняващ релативистичното дилатиране на времето "по прост начин", е мисловният експеримент с двама братя близнаци. Един от тях лети на космически кораб със скорост близка до светлината, а другият остава на земята. Връщайки се, братът-астронавт открива, че самият той остарява в продължение на 10 години, а брат му, останал у дома - за цели 20 години.

Цялостната картина трябва да бъде ясно на читателя от предишните обяснения, защото братята на космическия кораб забавя времето, поради своята скорост близка до скоростта на светлината-референтна система по отношение на земята, брат-към-, не можем да приемем, защото това би било неинерциални (претоварване тестове само един брат ).

Марк също иска повече: до каква степен спорът чувал нямат опонент, това не променя факта, че остава постоянна в абсолютна стойност той. Без значение колко години брат или лети на космически кораб, старост, той ще продължи с точно скоростта, с която има време в своята референтна рамка, а вторият брат ще стареем точно със същата скорост - разликата се среща само при срещата им, както и във всяка друга случая.

Разтегляне на гравитационното време

В заключение, трябва да се отбележи, че има и друг вид забавяне на времето, свързано вече с общата теория на относителността.

През 18 век Мичъл прогнозира съществуването на ефекта на червеното преместване, който се състои в това, че когато обектът се движи между региони със силна и слаба гравитация, времето за него ще се промени. Въпреки опитите да се проучи въпроса от Лаплас и Солднер, само Айнщайн представи през 1911 г. мащабна работа по тази тема.

Този ефект е не по-малко интересен от релативистичното дилатационно време, но изисква отделно проучване. И това, както се казва, е съвсем различна история.