Всем привет. Это обзор пятой главы книги Стивена Хокинга «Кратчайшая история времени», в которой мы попытаемся разобраться с такой, казалось бы, сложной вещью как теория относительности, и понять что это такое. Если ткнуть на Альберта вверху, то покажут мультик.

Для начала, поговорим о скорости света. Ещё до трудов Ньютона датский астроном Оли Рёмер, наблюдал за спутниками Юпитера. Он заметил, что периоды их исчезновения и появления за планетой происходят с разными интервалами времени. Такое явление Рёмер объяснил конечностью скорости света и вот почему. Если скорость света бесконечна, то появление спутников происходило бы через строго определённые промежутки времени, ровно в тот момент когда они происходят на юпитере, мы бы видели их и на земле. Но предположим, что свет движется с некой скоростью, тогда мы увидим затмение спутника спустя некоторый промежуток времени, ровно такой, сколько свету потребуется для преодоления расстояние от Юпитера до земли. Становится понятно что это время будет тем меньше чем меньше расстояние от Земли до Юпитера и наоборот. Расстояние между планетами не постоянно, а изменяется во время вращения планет по орбитам. Теперь пазл сложился. Если во время измерений периодов между затенениями спутников Юпитера, расстояние между Юпитером и Землёй уменьшаются, то затмения будут длится меньше времени, а если Земля и Юпитер будут удаляться друг от друга, то затмения будут длится дольше. Рёмер даже смог измерить скорость света на основании изменений длительности затмений и их фаз. У него получилось значение 225 тысяч километров в секунду. Это отличается от современного значения 300 тыс километров в секунду меньше чем на треть. Если учесть что свои работы Рёмер проводил за 11 лет до публикаций Ньютона, то поражаешься насколько он был крут.

Ещё долгих 200 лет не было толком ни какой теории распространения света, до явления гения Максвелла, который смог объединить две обособленных до того теории электрических и магнитных сил (есть байка что сделал он это на экзамене, когда препод осознано добавил нерешаемую задачу на экзамене, чтобы выяснить кто из студентов не ходил на пары. Это не Хокинг сказал, это уже моё собственное дополнение). Уравнения Максвелла предсказывали наличие некого волнообразного возмущения сущности, которое сам он назвал электромагнитным полем. Эти возмущения должны были иметь постоянную скорость и, вычислив её Максвелл обнаружил что она в точности совпадает со скоростью света!

Сегодня мы знаем, что возмущения Максвелла – это обычный свет. А значит, из теории Максвелла следует, что свет распространяется с конечной скоростью. Но это никак не идёт в лад с физикой Ньютона и с тем что нет никакого абсолютного пространства от которого можно мерить скорость. Давайте представим что вы играете в настольный теннис в вагоне движущегося поезда. Вагон двигается со скоростью 90 км в час, а мячик вы подаёте со скоростью 10 км в час. Для вас скорость мячика 10 км, для наблюдателя на земле 100 км. Так как же определить скорость мяча? Относительно земли? Относительно поезда? Нельзя на этот вопрос ответить без абсолютного стандарта покоя. А его вроде нет, как показал Ньютон. То же самое можно и нужно говорить про скорость света. Какой смысл несёт в себе утверждение теории Максвелла о том что свет распространяется с конечной скоростью?

Изначально научный мир хотел всю вселенную наполнить неким неподвижным эфиром. Такой штукой которая расползлась по всему бытию и именно в ней распространяется свет. Нам сейчас это кажется ересью, но эфир долго, хоть и безуспешно искали многие великие умы прошлого и позапрошлого века. Например Альберт Майкельсон (в последствии первый нобелевский лауреат Америки по физики), пытался измерить скорость света вдоль и поперёк вращения Земли вокруг солнца. Если положить что солнце неподвижно относительно эфира, и зная что земля крутиться вокруг него со скорость примерно 30 км в секунду. То получается, что свет должен иметь разные относительные скорости по направлению движения планеты, и по направлению к солнцу. Но сколько ни меряли физики, всё равно получалась одинаковая скорость света. Примерно 300 тыс. км в секунду.

Всё изменилось с появлением в научном мире сотрудника патентного бюро, совершено не известного ранее. И вы конечно догадались что речь об Эйнштейне. Именно он первым предложил отказать от идеи абсолютного времени, и из его выкладок эфир отпадал сам собой.

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Это было верно для законов движения Ньютона, но теперь Эйнштейн распространил эту идею также и на теорию Максвелла. Другими словами, раз теория Максвелла объявляет скорость света постоянной, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение скорости света независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него. Конечно, эта простая идея объяснила — без привлечения эфира или иной привилегированной системы отсчета — смысл появления скорости света в уравнениях Максвелла, однако из нее также вытекал ряд удивительных следствий, которые зачастую противоречили интуиции.

Самое удивительное, это то что два наблюдателя должны по разному оценивать время одного и того же события. На этом поподробней, ибо это и есть относительность.

Представим что вы опять внутри этого абстрактного вагона. Вагон двигается со скоростью 100 км в час. Ровно посередине вагона имеется источник света. Наблюдатель внутри вагона измеряет расстояние которое проходит свет, от источника до стенки вагона А. Тут и мерить нечего, оно будет равно ровно половине вагона. А теперь давайте измерим расстояние пройденное светом для наблюдателя на перроне. Так как вагон двигался, то стенка А передвинулась и свету нужно пройти немного большее расстояние. Величина смещения стенки будет равна скорости вагона умноженной на время, за которое свет доберётся от источника до неё. Положим что длина вагона равна L, а за время пока свет блуждает по вагону, последний успел проехать dX метров. Выходит что для первого наблюдателя свет преодолел расстояние в S1= L/2 метров (половину от длинны вагона), а для наблюдателя на перроне S2 = L/2+dX метров. Всё приехали. Скорость определяется очень простой формулой V=S/t. Где S – расстояние, а t – время. Скорость в этом случае 300 тыс. км в секунду, она всегда постоянна. Получаем что S1/t = S2/t. И если S1≠S2, то t должны быть неравны друг другу.

Последний абзац и есть объяснение теории относительности на пальцах. Каждый из нас живёт в своём мире со своим собственным блэк-джеком и временем. Понять это нелегко, даже сообществу физиков понадобились годы чтобы принять теорию относительности.

Другое интересное следствие теории относительности всем известная формула E=mc2 (не знаю как запихать текст наверх, там двоечка должна быть не просто сбоку, а в квадрате). Где Е – энергия, m-масса, ну а с - скорость света. Ввиду эквивалентности энергии и массы кинетическая энергия, которой материальный объект обладает в силу своего движения, увеличивает его массу. Иными словами, объект становится труднее разгонять. (Моё мнение отличается от мнения Хокинга, я даже обязательно расскажу почему. Но кто я такой, чтобы с ним спорить).

По мере приближения любого тела к скорости света, его масса увеличивается и для того чтобы придать ему хоть какое то ускорение, требуется всё большая энергия. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Прощай Андромеда, ведь даже если мы научимся разгонять корабли бороздящие просторы большого театра да скорости света, то лететь туда чуть более 2,5 миллиона лет! 2,5 миллиона лет на предельной во вселенной скорости.

Теория выдвинутая Эйнштейном в 1905 году, называется специальной, или частной. Однако в некоторых местах она шла в разрез с теорией Ньютона. Ну например гравитация должна распространяться с бесконечной скоростью. Начиная с 1908 года, Эйнштейн пытается перепрыгнуть через голову, и придумать ещё более крутую теорию. За семь с лишним лет он делает множество неудачных попыток, пока в 1915 не выдвигает ещё более невероятную и непонятную теорию – венец современной науки – общую теорию относительности.

О ней и многом другом в следующих постах.

З.Ы. Довольно интересный момент о увеличении массы при приближение тела к скорости света. С линейными размерами всё довольно просто. Скорость увеличивается - размеры вдоль направления движения уменьшаются. Но с массой всё сложнее. Дело в том что массу, в отличии от направления, нельзя померить вдоль или поперёк движения. Не может мешок картошки вдоль весить 30 кг, а поперёк 500. В научном мере, есть немалое количество физиков, которые считают увеличение массы при приближении тела к скорости света неверной штукой, и не обязательной. Есть и другие способы объяснить недостижимость скорости света. Её кстати не отменяет ни одна из трактовок. Ну кроме экзотических кротовых нор и прочего.