77

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света

Продолжение. Часть 1, часть 2.


В первой части своего повествования, я упомянул как аксиому тот факт, что скорость света постоянна и не зависит от системы отсчёта, однако, не рассказал, зачем вообще нашей вселенной понадобилось ограничивать максимальную скорость передвижения. Данный пост я хочу посвятить исключительно ответу на вопрос


ЗАЧЕМ ВСЕЛЕННОЙ СКОРОСТЬ СВЕТА И ПОЧЕМУ СВЕТ ЗДЕСЬ НИ ПРИ ЧЁМ?


Имеет ли скорость света какое-либо отношение собственно к свету? Что же делает скорость света такой «специальной», почему мы наблюдаем такой «Вселенский» заговор, препятствующий всем фотонам (да что там фотонам – чему угодно!) перемещаться быстрее, чем предельные 299 тыс. км/с?


Ответ — данное утверждение ложно. Вернее оно перевёрнуто с ног на голову. Вселенная не устроена так, чтобы поддерживать скорость света постоянной, в действительности пространству-времени наплевать на свет, оно и сейчас расширяется быстрее скорости света и при этом ещё и продолжает ускоряться. Вселенское ограничение скорости имеет более глубокие корни.


В предыдущем посте я уже затронул причинность при рассказе о пространственно-временных интервалах. Причинно-следственные связи — это единственное, о чём могут договориться любые наблюдатели, находящиеся в любой системе отсчёта.

Но почему у причинности имеется максимальная скорость? И почему эта скорость случайно совпадает со скоростью света в вакууме?


Давайте разбираться, и начнём мы издалека, с 1632 года, когда Галилео Галилей предстал перед судом Святой Инквизиции за его поддержку в своей книге идей Коперника о гелиоцентрической системе мироустройства. Однако, кроме всего прочего, в своей книге Галилей так же упомянул «принцип относительности», который его словами звучал примерно так:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Галилео заявлял, что не только нет никакого особенного места, но и нет никакой особенной скорости, которая могла бы повлиять на исход «механического эксперимента» в системе, которая движется прямолинейно и без ускорения. Это одно из великих предвидений Галилея было позднее кодифицировано другим гигантом — Исааком Ньютоном в своих «законах».


Перенесёмся на 200 лет позднее для того, чтобы встретить ещё одного героя нашего рассказа – Джеймса Кларка Максвелла, который умудрился вплести эти законы в 4 уравнения, элегантно описывающие весь феномен электромагнетизма.


К концу 19 века у нас были законы Ньютона, уравнения Максвелла, ещё несколько теорий, и общее ощущение того, что физика закончилась и вселенная познана... кроме двух маленьких проблемок — первые намёки на квантовую природу Вселенной и небольшую сумятицу, которые уравнения Максвелла внесли в Галилееву относительность. Вообще, и Ньютонова механика негласно опиралась на предположение, что скорость света бесконечно велика, а если бы это было действительно так, то это повлекло бы весьма серьёзные осложнения, однако, давайте разберёмся с уравнениями Максвелла, вот они:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Эти уравнения настолько значимы, что отлиты в бронзе на его памятнике. Не пугайтесь, примерный смысл этих уравнений выражается следующим образом:


1. Электрический заряд является источником магнитной индукции (теорема Гаусса).

2. Магнитный заряд отсутствует (теорема Гаусса для магнитной индукции)

3. Изменение магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле (закон индукции Фарадея)

4. Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле (закон Ампера - Максвелла).


Тот перевёрнутый треугольник называется "набла" - это просто индикатор особой операции, чуть сложнее, чем операторы + или —.


Но будем проще. Позовём наших друзей, Алису и Бориса, которые путешествуют на железнодорожной платформе. При этом Алиса ещё катается на скейте... и она электрическая, нам ведь нужно что-то электрически-заряженное, чтобы генерировать магнитное поле. Выглядит это как-то так:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Перемещаясь по платформе, Алиса генерирует магнитное поле, и мы, зная уравнения Максвелла, можем посчитать силу данного поля, зная полную скорость Алисы (v1 + v2). Мы так же можем прямо измерить эту силу при помощи физического эксперимента.


Борис — кот учёный и тоже умеет считать. Наблюдая за перемещениями Алисы со скоростью v1 он так же посчитает силу магнитного поля... и что-то не сходится. Очевидно же, что сила магнитного поля, которое генерирует Алиса, одна и та же. Мы измеряем не само поле, а его эффект — силу Лоренца — зависимый от скорости баланс между электрическим и магнитными полями. Оба поля работа работают, чтобы создать эту силу (полная сила электромагнитного поля на движущийся со скоростью v заряд q, в которую вносит свой вклад как электрическое Е, так и магнитное B поля:


F = q(E + [v × B])


Причём, сила эта не зависит от системы отсчёта. Это наводит нас на мысль о том, что электромагнитная сила каким-то образом связывает скорость и пространство-время. Как же нам выявить эту связь? Борису и нам нужна какое-нибудь волшебное преобразование, позволяющее переводить уравнения Максвелла из одной системы отсчёта в другую.


Таким примером могло бы служить Галилеево преобразование, которое просто говорит о том, что скорости складываются, а пространство и время не зависят от скорости. То же самое преобразование использует Ньютоновская механика, и мы только что применили их для преобразования уравнений Максвелла к скорости Алисы.


x' = x – vt


Но внезапно оказалось, что к уравнениям Максвелла нельзя применить Галилеево преобразование таким образом, чтобы они выдавали непротиворечивые результаты, иными словами они НЕ ИНВАРИАНТНЫ!


Вроде бы они и выдавали правильные значения для низких скоростей, но приводили в полный хаос векторные составляющие полей, а для высоких скоростей эти значения... нет, просто забудьте о высоких скоростях! Физика совсем поломалась!


После преобразований, линии напряжённости магнитного поля будут выглядеть как-то так:

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Так что же, Максвелл был неправ? Нет, как выяснилось, неправ был Галилей.


Преобразования, на которых работала Ньютоновская механика, были неправильными. Единственные работающие преобразования, были Лоренцевы (о них я рассказывал в первой части), но до сего момента они были чуть больше, чем некая математическая абстракция для преобразования поворота в четырёхмерном пространстве (к слову, к современному виду их привёл французский математик Анри Пуанкаре за 5 лет до Эйнштейна в 1900 года, который об этой работе не знал и сделал то же самое лишь в 1905).


Лоренцевы преобразования были известны задолго до Эйнштейна. Кому интересно узнать больше, на Википедии есть хорошая статья про то, как их можно вывести самостоятельно в домашних условиях.


Вкратце, история сводится к следующим логическим выкладкам:


Давайте честно признаем, что сложение скоростей (v1 + v2) не работает! Необходимо другое преобразование!


Законы физики работают неизменно, вне зависимости от положения, ориентации или скорости. Нам абсолютно не важно, где находится Алиса, в каком направлении, и с какой скоростью она движется. Это должно быть так — Земля вертится вокруг своей оси, вращается вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг центра Млечного пути, наше положение, ориентация и скорость меняются кардинальным образом, в зависимости от нашей точки зрения, но наши физические эксперименты выдают одни и те же результаты, несмотря на это.


Теперь давайте сделаем ещё одно смелое предположение — что Вселенная устроена логично!


Добавим так же требование, что нам постоянно необходимо делать преобразования между разными системами отсчёта туда и обратно и получать непротиворечивые результаты — мы должны иметь возможность пройти путь преобразований при переходе из в системы отсчёта Алисы к системе отсчёта Бориса, затем – в нашу систему отсчёта, откуда мы их наблюдаем, а затем повторить весь путь назад к Алисе и получить те же результаты, с которых мы начали, при этом изменяя лишь один параметр — скорость.


И наконец, добавим ко всему этому щепотку алгебры — получим преобразования Лоренца. Единственное преобразование, которое отвечает всем нашим требованиям!


Эйнштейн заподозрил, что поскольку данные преобразования столь хорошо справляются сзадачей, возможно, они описывают некие фундаментальные законы самой природы пространства-времени, природы нашей реальности.


Однако, в формуле преобразования Лоренца присутствует некая константа c, значение которой нам неизвестно.

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Физический смысл этой константы – вселенский скоростной предел. Почему? Потому что без неё константы, преобразования Лоренца бы попросту не работали, данная константа — необходимый элемент формулы преобразования, без которого обойтись невозможно. Преобразования Галилея — это лишь частный случай преобразований Лоренца, гдс c = ∞. И действительно, с точки зрения симметрии и относительности, константа c действительно могла бы быть бесконечной.


При помощи преобразований Лоренца, наконец, позволили получить инвариантные версии уравнений Максвелла (согласованное значение для магнитного поля Алисы, вне зависимости от системы отсчёта: нашей, Бориса, либо её собственной), без них, мы бы не смоли дать описания законам электромагнетизма — это стало ещё одним подтверждением того, что данные преобразования корректно описывают окружающую нас действительность.


Однако, не любое значение константы с нам подойдёт. Данное значение должно быть комбинацией значений фундаментальных констант в уравнениях Максвелла, иными словами, для того, чтобы электрические законы и законы магнетизма работали, нам так же необходимо ограничение — совершенно определённое значение константы c в формуле преобразования Лоренца.


Так что же это за значение? Да можно просто найти его комбинируя результаты физических экспериментов с электромагнитными полями, а затем — применять к этим значениям преобразования Лоренца туда и обратно с разными значениями с. Когда после преобразования из одной системы отсчёта в другую и обратно результаты совпадут с исходными, это и будет требуемым нам значением. Но подождите... ВНЕЗАПНО оказывается, что значение, которое мы нашли, в точности совпадает с измеренной скоростью распространения электромагнитных волн — скоростью света.


Ещё со времён Ньютона мы знаем, что масса обременяет движение, если же у чего-либо отсутствует масса, то нет и никаких препятствий двигаться настолько быстро, насколько это вообще возможно. Фотоны, гравитационные волны, глюоны — всё, что не имеет массы движется в нашей Вселенной с максимально-возможной скоростью. Соответственно, и для передачи информации (взаимодействия) между двумя уголками Вселенной, максимальной скоростью будет являться скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.


Иными словами, скорость света, это максимальная скорость распространения причинно-следственных связей — скорость причинности.


Взгляните на рисунок — это трёхмерное представление уже знакомой нам диаграммы Минковского. К нашему настоящему моменту (красная стрелка показывает наблюдателя) из прошлого сужается воронка — наш «световой конус прошлого». На наше текущее настоящее может повлиять только событие, которое попадает в рамки данного конуса — этот конус — наш «горизонт событий». В будущее воронка расходится и включает в себя все события, на которые мы в состоянии повлиять из настоящего момента. Если событие находится за пределами нашего светового конуса, то причинно-следственной связи между такими событиями быть не может.

Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света Скорость света, Теория относительности, Научпоп, Физика, Длиннопост

Интерпретация Эйнштейном ФИЗИЧЕСКОГО СМЫСЛА преобразований Лоренца и дала нам Специальную Теорию Относительности, установив фундаментальную связь между пространством и временем.


Так что бы было, если бы не было этого Вселенского ограничения скорости? Если мы оставим значение c = ∞ (сейчас речь о константе c в преобразованиях, а не о скорости света), то не было бы и массы, так как на создание какой-либо массы потребовалось бы бесконечное количество энергии (E = mc²), во вселенной существовали бы только безмассовые частицы, перемещающиеся на бесконечной скорости.


Существование самого пространства-времени было бы невозможным – с бесконечным замедлением времени и сокращением расстояний до нуля, между событиями отсутствовали бы причинно-следственные связи (вернее, любое бесконечно-удалённое и бесконечно-давнее событие могло бы повлиять на любое событие в бесконечном будущем и наоборот), был бы вселенский хаос — безвременной танец безмассовых частиц в вечном «здесь и сейчас».


Разумеется, мы не могли бы существовать в подобном парадоксе. Для возникновения нашей Вселенной, ей просто необходимо было ограничить максимальную скорость причинно-следственных связей, иначе она попросту не могла бы возникнуть и существовать .


В следующей части мы поговорим об эквивалентности массы и энергии и об истинном смысле формулы E = mc².

Найдены возможные дубликаты

+4
Иллюстрация к комментарию
+1

Для меня самое сложное -- представить нелинейное сложение скоростей.

Я осознаю и могу представить, почему конечная скорость света необходима, почему скорость света должна быть постоянна. Но я не могу представить, почему сложение скоростей именно такое и почему оно так работает. Я вижу формулу, я верю формуле, но представить не могу.

раскрыть ветку 1
0

Так никто не мог. Но Максвелл всем... крови попортил. Результаты физических экспериментов говорят одно, а складываешь скорости - должно получиться другое. Вот Лоренц и заморочился.

0

Тогда разве телепортация (связанные частицы) не нарушает причинно-следственную связь?

раскрыть ветку 4
+3
Связанные частицы - это не телепортация. Точнее, не классическая телепортация. В связанных частицах не происходит передачи информации, поэтому и не происходит нарушения причинно-следственной связи.
раскрыть ветку 1
+2

Хотел поспорить, полез для этого читать - понял, где я сам дурак. Спасибо :D

+2
Как только вы покажете, как при помощи квантовой запутанности можно передавать информацию быстрее света, можно будет говорить о нарушении причинности.
раскрыть ветку 1
0

Например можно поробовать вот так:
https://habr.com/ru/post/419901/
А спасать принцип причинности предлагается например теорией альтернативных реальностей Хью Эверетта. )

0

А разве последние эксперименты не показали что гравитационные волны быстрее скорости света?

раскрыть ветку 1
+1

Увы, нет.

0

А была ли c такой всегда?

раскрыть ветку 1
0
Уже не важно, мы выразили килограмм, секунду и метр через скорость света, так что если брать систему СИ - да, она была такой всегда.
Похожие посты
247

ЧТО ТАКОЕ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ? (1964) | FullHD (UPSCALE)

Документальный фильм просто и наглядно объясняющий суть теории относительности.


Режиссёр: Семён Райтбурт

Авторы сценария: Семён Лунгин, Илья Нусинов

Консультант: В. Жигулёв

Оператор: Ю. Беренштейн

Композитор: А. Зацепин

В ролях:

Алла Демидова, Алексей Полевой, Георгий Вицин, Алексей Грибов, Георгий Тусузов.


«Моснаучфильм», 2-е творческое объединение, СССР, 1964.

128

Veritasium: турбулентность vs ламинарность, что круче?

Дерек спорит с Дестином о том, что круче: турбулентный или ламинарный поток?
Дерек считает, что турбулентный, поэтому в видео разбираются основные характеристики, по которым можно опознать турбулентность (ведь консенсусного формального определения так и нет), показан эксперимент Рейнольдса с ламинарностью и турбулентностью, в чём загвоздка с уравнениями Навье-Стокса.
Дерек считает, что хоть ламинарный поток и проще полюбить, любовь к турбулентности будет куда глубже и насыщеннее, просто для этого нужно увидеть всю его красоту, что и пытается показать автор всё видео, приводя примеры и масштабы турбулентности в природе. А так же, как турбулентность помогает самолётам увереннее летать, а мячам для гольфа летать дальше.
Получится ли переубедить Дестина? А тебя?

167

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

В ньютоновской теории тяготения орбиты вращения вокруг отдельных крупных масс являются идеальными эллипсами. Но в общей теории относительности существует дополнительная прецессия за счёт кривизны пространства-времени, из-за чего орбиты со временем сдвигаются, иногда даже измеряемо. Орбита Меркурия прецессирует со скоростью 43″ в сто лет (1″ – это угловая секунда, 1/3600 градуса); меньшая из чёрных дыр OJ 287 прецессирует со скоростью 39° за 12 лет орбиты.


Сложно оценить всю революционность перехода от ньютоновской точки зрения на Вселенную к эйнштейновской. Согласно ньютоновским механике и тяготению, Вселенная полностью детерминирована. Если бы вы дали учёному массы, местоположение и импульсы всех и каждой частиц Вселенной, он смог бы определить, где будет находиться и что будет делать каждая частица в любой момент в будущем.


В теории уравнения Эйнштейна тоже детерминистские, и можно представить нечто похожее: если бы только вы знали массы, позиции и импульс каждой частицы Вселенной, вы могли бы вычислить что угодно, заглядывая сколь угодно далеко в будущее. Но если в ньютоновской вселенной мы можем записать уравнения, управляющие поведением частиц, во вселенной под управлением общей теории относительности (ОТО) мы даже и на это не способны. И вот, почему.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Закон всемирного тяготения Ньютона заменила ОТО Эйнштейна. Он полагался на концепцию мгновенного действия на расстоянии, и был весьма простым. Гравитационная константа G в уравнении, а также величины двух масс и расстояние между ними – вот все факторы, определяющие гравитационное взаимодействие. G есть и в теории Эйнштейна.


В ньютоновской вселенной каждый массивный объект действует с хорошо определяемой силой тяготения на каждый другой объект вселенной. Можно определить гравитационное взаимодействие между каждой парой существующих масс, а потом просто подсчитать ньютоновское тяготение. Эта сила также расскажет, как именно будет двигаться масса (поскольку F = ma), и так вы сможете определить эволюцию вселенной.


Но в ОТО эта задача куда как сложнее. Даже если бы вы обладали той же самой информацией – местоположением, массами и импульсами всех частиц – а также конкретной релятивистской системой отсчёта, в которой они определены, этого не хватило бы для описания эволюции вселенной. Структура величайшей теории Эйнштейна слишком сложна даже для этого.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Вместо пустой трёхмерной решётки размещение масс заставляет “прямые” линии изгибаться определённым образом. В ОТО пространство и время считаются непрерывными, но все формы энергии, в т.ч. масса, вносят свой вклад в кривизну пространства-времени. Если мы заменим Землю её более плотной версией, вплоть до появления сингулярности, деформация пространства-времени останется точно такой же; и только внутри самой Земли будут заметны отличия.


В ОТО движение и ускорение объекта определяет не суммарная сила, действующая на объект, а кривизна пространства (и пространства-времени). И это сразу становится проблемой, поскольку кривизну пространства определяет вся материя и энергия, имеющаяся во Вселенной, и в эту информацию входит куда как больше, чем просто позиции и импульсы массивных частиц.


В ОТО, в отличие от ньютоновской гравитации, взаимодействие всех масс также имеет значение: поскольку у него также есть энергия, оно также деформирует ткань пространства-времени. Если взять два массивных объекта, движущихся и ускоряющихся друг относительно друга, этот процесс также будет излучать гравитационные волны. Это излучение идёт не мгновенно, а распространяется наружу во все стороны со скоростью света. И этот фактор невероятно трудно учесть.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Гравитационные волны – это волны пространства-времени, и они распространяются в пространстве со скоростью света во всех направлениях. И хотя электромагнитные константы не появляются в уравнениях ОТО, скорость гравитации без сомнения равняется скорости света.


Если в ньютоновской вселенной вы с лёгкостью можете записать уравнения, управляющие любой системой, какую вы только можете представить, то даже этот шаг будет невероятно трудным во вселенной, управляемой ОТО. Поскольку так много всего влияет на искривление и эволюцию пространства во времени, мы часто даже не можем записать уравнения, описывающие форму простейшей, игрушечной модели вселенной.


Возможно, наиболее ярким примером будет простейшая, игрушечная модель вселенной: пустая, без материи и энергии, не меняющаяся во времени. Это вполне возможно, и этот особый случай даёт нам старую добрую и простую особую теорию относительности и плоское евклидово пространство. Это простейший и наименее интересный случай из возможных.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Плоское пустое пространство без материи, энергии и кривизны. За исключением небольших квантовых флуктуаций, пространство в инфляционной Вселенной становится таким, невероятно плоским, только не на двумерной плоскости, а в трёхмерном пространстве. Пространство растягивается, уплощаясь, и частицы быстро разбегаются.


Сделаем шаг в сторону усложнения: возьмём точечную массу и поместим её куда-нибудь во вселенной. И внезапно пространство-время становится чрезвычайно сложным.


Вместо плоского евклидового пространства мы получим искривлённое пространство, вне зависимости от того, насколько далеко мы отойдём от массы. А чем ближе мы будем подходить, тем быстрее пространство будет “стекать” по направлению к местоположению этой точечной массы. Мы обнаружим определённое расстояние, на котором мы найдём горизонт событий: точку невозврата, откуда нельзя сбежать, даже двигаясь со скоростью, сколь угодно близкой к скорости света.


Пространство-время гораздо сложнее пустого пространства, а мы всего лишь добавили одну массу. И это было первое точное нетривиальное решение, открытое для ОТО: формула Шварцшильда, соответствующая невращающейся чёрной дыре.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Как внутри, так и снаружи горизонта событий шварцшильдовской чёрной дыры пространство течёт как травалатор или водопад. На горизонте событий, даже если вы будете бежать (или плыть) со скоростью света, поток пространства-времени преодолеть не получится, и он затянет вас в сингулярность в центре. Снаружи горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут справиться с гравитационным притяжением, и заставить даже падающую внутрь материю убежать.


За последнее столетие было найдено множество других точных решений, но они оказались незначительно сложнее. Среди них:

Решения для идеальной жидкости, где энергия, импульс, давление и напряжение жидкости определяют пространство-время.

Электровакуумные решения, где могут существовать гравитационное, электрическое и магнитное поля (но не массы, электрические заряды или токи).

Решения со скалярными полями, включающими космологическую константу, тёмную энергию, инфляционные варианты пространства-времени, и модели космологической квинтэссенции.

Решения с одной вращающейся точечной массой (Керр), заряженной (Рейснер-Нордстром) или вращающейся и заряженной (Керр-Ньюман).

• Жидкостные решения с точечной массой (пространство Шварцшильда-де Ситтера).


Вы могли заметить, что эти решения чрезвычайно просты, и среди них нет простейшей гравитационной системы, которую мы постоянно рассматриваем: Вселенную, в которой две массы гравитационно связаны друг с другом.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

ОТО подвергали научным испытаниям бессчётное множество раз и накладывали на неё самые строгие ограничения из всех, использованных человеком. Первым решением Эйнштейна было вычисление ограничения слабого гравитационного поля вокруг единственной массы, такой, как Солнце; он применил эти результаты к нашей Солнечной системе с потрясающим успехом. Эту орбиту можно рассматривать так, будто Земля (или любая другая планета) в свободном падении движется вокруг Солнца по прямой линии в своей системе отсчёта. Все массы и источники энергии вносят вклад в кривизну пространства-времени, однако мы можем вычислить орбиту Земли и Солнца лишь приблизительно.


Эту задачу – задачу двух тел в ОТО – нельзя решить точно. Не существует точного аналитического решения для пространства-времени, содержащего более одной массы, и считается, что такое решение нельзя найти (хотя это пока, насколько мне известно, не доказано).


Мы лишь можем делать предположения, и либо делать определённые приближения к точному результату (постньютоновский формализм) или изучать определённую форму задачи и пытаться решить её численно. Развитие науки численной относительности, особенно начиная с 1990-х, позволило астрофизикам подсчитать и определить образцы различных типов гравитационных волн Вселенной, включая приблизительные решения задачи для слияния двух чёрных дыр. И любая фиксация волн на LIGO или Virgo возможна благодаря наличию этих теоретических работ.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Волновой гравитационный сигнал первой пары обнаруженных коллаборацией LIGO сливающихся чёрных дыр. Невероятно, насколько хорошо совпадают сырые данные и теоретические шаблоны, демонстрирующие нам волновую последовательность. Для получения теоретических шаблонов потребовалось невероятное развитие численной относительности.


Учитывая всё это, существует огромное количество задач, которые мы можем хотя бы приблизительно решить, пользуясь тем поведением или теми решениями, которые мы можем понять. Мы можем описать происходящее в негомогенной части Вселенной, остальная часть которой является гладкой и заполненной жидкостью, чтобы узнать, каким образом растут регионы с повышенной плотностью и сжимаются регионы с пониженной плотностью.


Мы можем понять, как поведение решаемой системы отличается от ньютоновской гравитации, а потом применить эти уточнения к более сложной системе, которую, возможно, нельзя решить в лоб.


Или мы можем разработать новые численные методы для решения проблем, неприступных с теоретической точки зрения; такой подход имеет право на жизнь, пока гравитационные поля относительно слабы (пока мы не приближаемся слишком близко к слишком большой массе).

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

В ньютоновском представлении о гравитации пространство и время – абсолютные и фиксированные величины. В представлении эйнштейновского пространства-времени – это единая объединённая структура, в которой неразрывно переплетаются три пространственных и одно временное измерение.


И всё же ОТО бросает нам несколько уникальных вызовов, отсутствующих в ньютоновской вселенной. Факты таковы:

• Кривизна пространства постоянно меняется.

• У каждой массы есть своя энергия, также меняющая кривизну пространства-времени.

• Движущиеся через искривлённое пространство объекты взаимодействуют с ним и испускают гравитационное излучение.

• Все появляющиеся гравитационные сигналы всегда движутся со скоростью света.

• Скорость объекта относительно любого другого объекта приводит к релятивистской трансформации (сжатие длины, растяжение времени), которую необходимо учитывать.


Учтя всё это, в большей части вариантов пространства-времени, которые вы сможете придумать, даже в относительно простых, описывающие их уравнения получатся настолько сложными, что мы не сможем найти их решений.

Спросите Итана: почему учёные никогда не смогут найти точного решения общей теории относительности Спросите итана, Теория относительности, Ото, Альберт Эйнштейн, Ньютон, Пространство и время, Научпоп, Космос, Гифка, Длиннопост

Анимация реакции пространства-времени на движение массы показывает, что пространство-время – это не просто некий лист ткани; всё пространство целиком искривляется в присутствии материи и энергии. При этом пространство-время можно описать полностью, учитывая не только положение массивного объекта, но и его движение во времени. Силы, действующие на объект, движущийся сквозь Вселенную, определяются как его текущим местоположением, так и историей его перемещения.


Один из наиболее ценных жизненных уроков я получил в первый день первого математического курса в колледже, где мы изучали дифференциальные уравнения. Профессор сказал нам: “Большую часть существующих дифференциальных уравнений решить нельзя. Большую часть дифференциальных уравнений, которые можно решить, вы решить не сможете”. Такова и ОТО – набор спаренных дифференциальных уравнений, и сложности, с которыми сталкиваются все, её изучающие.


Мы даже не можем записать уравнения поля Эйнштейна. Описывающие большую часть вариантов пространства-времени или большую часть вселенных, которые мы можем себе представить. А большинство из тех, что мы можем записать, мы не можем решить. А большинство из тех, что мы можем решить, не можем решить ни я, ни вы, и ни кто-либо ещё. Однако мы можем работать с приближениями, позволяющие нам получать осмысленные предсказания и описания. И в целом это наибольшее приближение к истине, достигнутое кем-либо – хотя путь до цели ещё очень долгий. И пусть мы не будем сдаваться, пока не дойдём до неё.


Источник / Поддержать переводчика: мой сайт, Patreon, Sponsr

Показать полностью 9
93

Тонкослойная хроматография для не-специалистов

Вероятно, все из нас видели (хотя бы на фотографии) тест на беременность. Надеюсь, никому не приходилось встречаться с тест-полосками на наркотики_или проваливать допинг-тесты. И, скорее всего, все читали или смотрели экранизацию “Двенадцати стульев”, где Ипполит Матвеевич Воробьянинов, желая получить «радикальный черный цвет» волос, остался с шевелюрой всех цветов радуги, которую пришлось в итоге сбрить.
Удивительно, но процессы, которые лежат в основе всех примеров – одни и те же. На этих же процессах основан один из очень распространенных методов разделения и определения веществ – так называемая тонкослойная хроматография. Термин тонкослойная» всего лишь означает, что она проводится на слое_толщиной в миллиметр (по сравнению с объемной хроматографией, где толщина вещества-основы может составлять до сантиметра), а вот о том, что же такое «хроматография», стоит рассказать подробнее. В 1903 году русский ученый Михаил Цвет представил на суд ученых новый способ разделения веществ, из которых состоит хлорофилл – зеленый краситель в листьях – и назвал его «цветописью» или хроматографией. Забавное совпадение: человек_по фамилии Цвет работает с красителями и называет новый метод почти в свою честь. Основан этот метод был на отличиях в силах взаимодействия разных молекул с веществом-основой. В качестве последнего в опытах Цвета выступал мел, но сейчас чаще всего используют силикагель (маленькие шарики, которые можно найти в пакетиках с обувью при покупке) или оксид алюминия. Цвет засыпал мелкий порошок мела в вертикальную стеклянную трубку, утрамбовал его, осторожно залил водой (так, чтобы весь мел намок, но не «поплыл») и сверху залил немного раствора хлорофилла. Далее он добавлял воду, а ее избыток вытекал снизу. Постепенно зеленая полоска продвигалась вниз и разделялась на три – светло-зеленую, темно-зеленую и желтоватую. Когда каждая из полосок оказывалась внизу трубки, экспериментатор собирал вытекающую жидкость в отдельный стакан. Оказалось, что хлорофилл состоит из трех разных веществ –их потом назвали хлорофилл А, хлорофилл Б и лютеин. Именно из-за насыщенности цветов метод получит такое название. Почти сразу ученые поняли, что таким образом можно разделять и другие вещества. Сначала опыты ставились на смесях красителей, чтобы было проще определять, когда следует собирать вытекающую жидкость, потом научились работать и с бесцветными веществами, подсвечивая трубку ультрафиолетом, или добавляя реагенты, которые окрашивали соединения. Далее оказалось, что вместо воды можно использовать другие жидкости, и тогда список разделяемых веществ значительно увеличился. С дальнейшим развитием техники научились разделять газы, здесь в качестве жидкости используются азот или благородные газы, а длина трубки может достигать целых 150 м, поэтому ее нужно сворачивают в кольцо. Этот метод стал незаменимым помощником химиков-органиков для очистки получаемого вещества, потому что особенностью органического синтеза является огромное количество разных примесей, и выделение продукта та еще задача; биохимиков, так как один из видов хроматографии – почти единственный способ разделения белков; и химиков-криминалистов для определения состава чернил и доказательства подлинности документа или, например, определения состава наркотических смесей
Вернемся именно к тонкослойной хроматографии – ее можно провести очень быстро (до получаса – обычное время такого анализа, по сравнению с несколькими часами обычной хроматографии), прямо на месте (из оборудования – пластинка с силикагелем, стаканчик с жидкостью и пипетка, а не огромные установки, как для разделения газов) и без химического образования – нужно лишь капнуть образец на край пластинки и аккуратно поставить ее в стакан. За нас все сделают капиллярные силы – растворитель сам будет подниматься вверх. В конце нужно либо опустить пластинку в раствор-проявитель, либо, если вещества с самого начала были цветными, просто посмотреть на нее. Обычно на пластинку ставят две точки – образец (смесь веществ, в которой надо определить наличие чего-либо) и чистое вещество, которое мы ищем. Если на хроматограмме (так называется итоговая картина) образца окажется пятнышко на том же месте, где и на хроматограмме чистого вещества – значит, оно есть в смеси. Все очень просто и доступно даже ребенку. Кстати о детях – если в качестве пластинки использовать прямоугольный или круглый кусочек рыхлой бумаги (в идеале – фильтровальной), то можно разделить пигменты в черном фломастере. Оказывается, черный цвет – это смесь многих цветов, а не единый пигмент. Этот опыт хотя и очень простой, но и очень красивый. При возможности настоятельно рекомендую попробовать! В случае же Кисы Воробьянинова в качестве пластинки выступили его волосы (разные вещества в краске для волос по-разному осели на волосах), и при смывании произошло их разделение. Нерешенным вопросом остались тесты на беременность, допинг и наркотики. Тут тоже все просто – на эти полоски нанесены вещества, которые проявляют окраску только при наличии наркотиков, допинга или гормона ХКЧ (его количество у беременных гораздо больше) в моче. Аналогично, кстати, работают тест-полоски на сифилис, вирус иммунодефицита человека и даже на наличие в образце крови (это очень важно для криминалистов). И, естественно, тест-полоски на коронавирус, если такие появятся в широком доступе, будут основаны именно на продвижении вещества по полоске за счет капиллярных сил.
Вот и получается, что событие, которое было описано в 1928 году, детские эксперименты и современные экспресс-тесты основаны на одном физико-химическом процессе.

Показать полностью
59

Ученые обнаружили квантовые флуктуации в вакууме"Виртуальные частицы"

Ученые из университета Констанц (Германия) под руководством профессора Альфреда Ляйтенсторфера впервые непосредственно зарегистрировали явление квантовой флуктуации (колебаний электромагнитного поля) в вакууме. С помощью новейшей оптической установки с использованием особых световых импульсов в заданном диапазоне физики смогли пронаблюдать это явление. Полученные выводы позволяют вплотную подойти к пониманию свойств «абсолютного ничто» и, безусловно, являются важным шагом в развитии квантовой физики. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

О существовании вакуумных флуктуаций теоретически было известно достаточно давно, однако никому еще не удавалось увидеть это явление непосредственно. Говоря простым языком, существование вакуумных флуктуаций означает, что даже в абсолютной темноте и тишине все же происходят некоторые колебания электромагнитного поля. До сих пор считалось, что это явление проявляется себя лишь косвенно: например, в спонтанном свечении, издаваемом атомами газа в люминесцентной лампе.

Международная группа физиков, в которую входили и российские исследователи Денис Селетский и Андрей Москаленко, сконструировала экспериментальную установку, которая может проводить измерение электрических полей со сверхвысоким временным разрешением и чувствительностью. Ученые использовали опыт передовых достижений в области оптических технологий. Установка включает новейшую лазерную установку, способную производить сверхкороткие лучи очень высокой стабильности.

Благодаря своему изобретению исследователям удалось измерить колебания поля в абсолютной пустоте, происходящие за миллионные доли одной миллиардной секунды (фемтосекунду). Важно, что время наблюдения было короче периода колебаний световых волн. Естественным ограничением в ходе эксперимента выступала лишь квантовая природа поля. Ученые составили теоретическое описание своего эксперимента на основе квантовой теории.

Профессор Ляйтенсторфер рассказал, что проведение эксперимента и проверка полученных выводов стоили команде пары лет бессонных ночей — ученым нужно было исключить все возможные факторы проникновения паразитных сигналов.

Значимо, что этот эксперимент открывает доступ к основному состоянию квантовой системы в его естественном состоянии, без использования специальных усилений и других видоизменений. Теперь у исследователей появился ключ к миру сверхкоротких событий, происходящих в квантовом мире.

Чтоб понять что такое виртуальные частицы, и причём здесь квантовый вакуум. Советую посмотреть мой видеоролик, где я всё в простой форме объяснил, что же такое пустое пространство
P. S : Удачного просмотра

66

ДУСТХИМ и спектры химических элементов

Простые и эластичные цветные линии описывают очень сложные математические формулы физических законов физики электронов. Какая простота заключена в спектре элемента. Его свет! Гармония в чистом виде!

Излучение световых волн атомами происходит следующим образом. Получая энергию извне, например, при столкновениях с другими атомами, атом переходит в возбужденное состояние. Это состояние имеет малое время жизни, поэтому вскоре атом переходит в состояние с более низкой энергией, излучая при этом квант света (фотон), энергия которого равна разности энергий тех состояний, между которыми происходит квантовый переход.

При пропускании такого света через призму или дифракционную решетку будет наблюдаться не сплошной спектр типа радуги, а линейчатый, состоящий из отдельных цветных линий с частотами на темном фоне. На опыте линейчатые спектры дают нагретые 1-атомные газы, атомы которых почти не взаимодействуют друг с другом, и поэтому спектры излучения отдельных атомов не искажаются вследствие взаимодействия.

На фото запечатлены линии ксенона

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Спектр дейтерия из лампы ДДС-30

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Газ неон

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Так выглядит стронций

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

А это ртуть

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

Уран из оптики ЗС-7

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост

И всем знакомый спектр с школьных времен - спектр натрия

ДУСТХИМ и спектры химических элементов Дустхимхабрпром, Химия, Физика, Уран, Наука, Свет, Спектр, Научпоп, Длиннопост
Показать полностью 6
1276

Почему замедляется время вблизи массивных планет?

Всем привет, это шестая часть обзора книги Стивена Хокинга «Кратчайшая история времени».

И сегодня мы будем пытаться понять, что же такое общая теория относительности и почему вблизи планет стрелки часов замедляются. Если тыкнуть на хокинга повыше, ещё и мультик покажут.

Общая теория относительности основана на революционном предположении что гравитация – это не обычная сила, а лишь следствие того что пространство-время не является плоским. В этой теории пространство-время искривляется любым помещённым в него предметом имеющим массу или энергию. И тела помещённые в такое пространство следуют не по круговым орбитам. Они следуют по особым линиям, которые называются геодезические. Это аналог прямых в искривлённых пространствах. Не пытайтесь сейчас это представить. Ибо мы вообразить такое не можем, наш разум ограничен тремя измерениями.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Мы можем лишь провести аналогию с двумерным искривлённым пространством. Обычная плоскость – это пример двумерного пространства. А поверхность земли – это двумерное искривлённое пространство. Примером геодезической линии на поверхности земли – является, например, экватор. Вообще в искривлённых пространствах, геодезическая линия – это такая линия, которая определяется как кратчайшее (или наоборот самое длинное) расстояние между двумя точками. Допустим, вы решили отправиться из Москвы в Магадан. Вы можете двинуться по компасу почти строго на восток и пройти расстояние примерно 6088 км, либо двинуться по искривлённому пути и пройти всего 5921 км. На плоской карте, как вы можете видеть, геодезическая линия практически соответствует полуокружности. Т.е. если представлять поверхность земли как плоскость, то нужно двигаться по сектору, но если посмотреть на этот же путь со сторону третьего измерения, то полуокружность превращается в линию.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

В общей теории относительности тела всегда следуют по геодезическим линиям в четырехмерном пространстве-времени. В отсутствие материи эти прямые линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют прямым линиям в трехмерном пространстве. В присутствии материи четырехмерное пространство-время искажается, вызывая искривление траекторий тел в трехмерном пространстве.


Нечто подобное можно представить, если вообразить траекторию движения спутника пролетающего мимо планеты по прямой. Несмотря на то, что спутник двигается прямо, его проекция на поверхности планеты, будет двигаться по искривлённой траектории, напоминающей окружность.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Расхождения общей теории относительности с законами Ньютона хоть и очень малы, но всё же есть. Особенно они заметны для планет ближе всего расположенных к солнцу. В частности для меркурия. Практическое подтверждение этих расхождений, было одним из первых доказательств общей теории относительности, для Меркурия расхождения были замечены ещё в 1915 году.


Второе волшебное свойство, вытекающее из общей теории относительности – это отклонение траектории света от прямой линии, под действием гравитации. Лучи света, тоже вынуждены двигаться по геодезическим линиям.


Ну и самое невероятное предположение – замедление течения времени около массивных тел, например нашей планеты. Вспомним что Эйнштейн в 1905 году выдвинул постулат что все законы физики протекают одинаково, для всех свободно-движущихся наблюдателей. Грубо говоря, принцип эквивалентности, общей теории распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля. В рамках нашего ролика, отбросив сложности, можно сказать так: в достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.


Что это означает простыми словами. Представьте, что вы находитесь в лифте посреди пустоты. Лифт неподвижный, нет ни верха ни низа. Он просто висит в пустоте. И вот он начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы ощущаете вес, одна из стенок лифта превращается в пол. И если вы уроните яблоко – оно упадёт на пол ровно так же, как если бы вы находились на земле. Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне поезда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания и стал принцип эквивалентности.


Теперь мы готовы перейти к другому мысленному опыту. Представьте что мы находимся на борту огромной, летящей в космосе, ракеты. Для простоты вообразим, что ракета настолько большая, что свету требуется целая секунда, чтобы пересечь её сверху донизу. Ну и в ракете у нас будут два наблюдателя. Один в носу ракеты, другой в самом низу, у двигателей. У обоих наблюдателей есть совершенно одинаковые часы, ведущие отсчёт секунд.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

Верхний наблюдатель, дождавшись тиканья часов часов, даёт сигнал нижнему наблюдателю, а спустя ровно секунду, ещё один. Нижний наблюдатель зарегистрирует эти сигналы с таким же интервалов времени, какой был у верхнего – одна секунда.


А теперь предположим, что наша ракета ускоряется. Поскольку корпус ракеты двигается вверх, то свету требуется пройти меньшее расстояние до низа ракеты, и второй наблюдатель получит сигнал раньше чем через секунду. Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше. Так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде. Но в момент отправки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени. Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.


Именно этот принцип и лежит в основе изменения хода часов у разных наблюдателей при ускоренном движении.


В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле. Следовательно, даже если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовой площадке на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам). Вот это действительно удивительно!


Подобно тому как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга (об этом можешь почитать в предыдущем посте/посту), общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях. Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект. Законы движения Ньютона положили конец идее абсолютного положения в пространстве. Теория относительности, как мы видим, поставила крест на абсолютном времени.


Кстати для нас - людей тоже верен данный принцип. Он известен как парадокс близнецов. Если один из близнецов живёт на вершине горы, а второй у подножия, то первый будет стареть немного быстрее второго. Потому что для второго близнеца, гравитационное поле немного сильнее, а следовательно время течёт медленнее. На нашей планете, это расхождение ничтожно мало, но оно существенно увеличится, если один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, который разгоняется до скорости, близкой к световой. Когда странник возвратится, он будет намного моложе брата, оставшегося на Земле.

Почему замедляется время вблизи массивных планет? Теория относительности, Физика, Стивен Хокинг, Альберт Эйнштейн, Мультфильмы, Научпоп, Видео, Длиннопост

До 1915 года, люди воспринимали время как нечто абсолютное и не изменяемое, но Эйнштейн перевернул всё с ног на голову. Время стало вдруг динамической переменной, которое может меняться в зависимости от наших действий. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят. За сто лет прошедших со времени открытия общей теории относительности человечество радикальным образом пересмотрело свои взгляды на картину мироздания. Как именно ты узнаешь в следующих роликах.

Показать полностью 4
993

Лженаука в СПб!

18-19 мая, в культурной столице России - Санкт-Петербурге, состоится "выступление" лжефизика Катющика В.Г. Он "опроверг" Ньютона, Хокинга, Эйнштейна, Ландау и многих других! Уровень идиотизма на квадратный метр будет зашкаливать. Приходите, не пожалеете!

https://www.sci-tribunal.org/  И все это мракобесие будет проводится от имени Хакасского Технического Института.


А если серьезно, вопрос: нельзя ли этому как то законно воспрепятствовать?

112

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности Yes Future, Теория относительности, Альберт Эйнштейн, Черная дыра, Физика, Длиннопост

Сегодня астрономы Европейской Южной Обсерватории собираются представить миру первую в истории фотографию горизонта событий (проще говоря границы) черной дыры Стрелец А. Этот объект хоть и находится в самом центре нашей галактики Млечный путь, но от Земли до него целых 25 000 световых лет.

Событие достаточно громкое — вероятно, теория относительности на массивных объектах будет подтверждена или опровергнута.

В каком-то смысле чёрные дыры всё ещё объекты гипотетические. Но астрономы практически не сомневаются в их реальности — получено огромное количество косвенных доказательств их существования. Сфотографировать чёрную дыру (да и вообще увидеть) невозможно — эти объекты поглощают всё электромагнитное излучение. А это значит, что ни радиотелескоп, ни оптический не могут её увидеть.

Но чёрные дыры “выдаёт” их окружение. Их гравитация притягивает пыль и газ, поэтому на границе черной дыры материя образует аккреционный диск. Атомы там двигаются с невероятной скоростью. На таких скоростях материя настолько раскаляется, что начинает излучать рентгеновское и другие мощные излучения.

Учёные из Европейской южной обсерватории обещают нам показать тень чёрной дыры. По форме тени чёрной дыры, можно будет определить расходится ли теория гравитации с реальным положением дел.

Если тень будет иметь заранее смоделированную форму, то это будет означать, что общая теория относительности вблизи чёрной дыры сохраняется. А вот самые небольшие отклонения покажут, что теория гравитации Эйнштейна имеет определённые оговорки.
Это создаёт огромный простор для физиков теоретиков для создания новых теорий, в которые впишется поведение чёрных дыр.

Можно сказать происходит самый сумасшедший краш-тест во Вселенной. На кон поставлено будущее современной физики.

Официальный доклад учёных начнётся сегодня в 17:00 по московскому времени.
Ссылка на трансляцию:
https://www.youtube.com/watch?v=Dr20f19czeE&feature=youtu.be

Как думаешь, мы на пороге новых открытий?

Чёрные дыры и краш-тест общей теории относительности Yes Future, Теория относительности, Альберт Эйнштейн, Черная дыра, Физика, Длиннопост
Показать полностью 1
1648

Скорость света сняли с помощью сверхбыстрой камеры

Скорость света сняли с помощью сверхбыстрой камеры Скорость света, Видео, YouTube, The Slow Mo Guys, Физика

Известные блогеры youtube-канала The Slow Mo опубликовали новый видеосюжет, в котором показали, как выглядит в реальности перемещение света. Для этого они использовали камеру, способную снимать со скоростью 10 триллионов кадров в секунду.

Скорости камеры оказалось достаточно, чтобы она смогла зафиксировать перемещение света. Сюжет блогеров за сутки посмотрели почти полмиллиона человек.

"У меня странные ощущения, словно человек никогда не должен был бы это видеть. Мы словно проникли в основание Вселенной", - отметил один из блогеров.

608

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики.

Этот пост мотивирован к написанию большей частью благодаря твёрдой уверенности отдельных продвинутых физик-кунов из числа пикабушников в … теории относительности. Если точнее не в самой теории, а её роли в современной физике. Итак, о священных коровах.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Большинство из нас в общих чертах представляет теорию относительности как достаточно заумную фигню, в которой лучше не разбираться, дабы не сломать мозг. При этом основные положения теории про скорость света, релятивистские эффекты и прочие плюшки принимаются как данное, то есть то, с чем лучше не спорить или до чего лучше не докапываться. Ибо понабегут, докопаются и засмеют, если не зачмырят. Тем не менее, суть самой теории, её центральная идея остаётся непонятой в той же степени, в какой непонятым остаётся оператор дивергенции из высшей математики. А ведь по сути и то и другое – не нечто сверхсложное. Я бы сказала даже наоборот – весьма и весьма простые вещи заложены в основу «великих» теорий.


Итак, кратенько, суть теорий относительности.


Хотя в одном из пердыдущих постов уже писала, повторюсь. Откуда ноги растут: электромагнитные волны. Все. Радио, микроволновки, радары, видимый свет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Всё, что имеет электромагнитную природу и поддаётся описанию волновой природы. Мы знаем, что волна – это колебание. Колебание чего-то, колебание какой-либо среды. Звук – колебание молекул воздуха, морские волны – колебания воды, а электромагнитные… А кстати, что колеблется в электромагнитной волне? Какая среда получает изменяющиеся мгновенные значения электрического и магнитного поля, чтобы получилась волна? «А вот хрен знает, но это очень интересный вопрос!», подумали в своё время учёные и стали искать ответ.


Сначала придумали эфир. Некую субстанцию, пронизывающую всё, и способную передавать электромагнитные волны. Придумать-то придумали, а ведь его ещё найти надо. Искали. Не нашли. Ну нет эфира. Мало того, что его нет, так у электромагнитных волн ещё одну фишку нашли: они распространяются с одной и той же скоростью. Всегда. Независимо от того, двигается ли источник или нет. Как бы мы не мерили скорость. Как бы не двигались при этом сами и как бы быстро не двигался источник, скорость света всегда будет одна и та же. Нет сложения скоростей! Ньютоновская механика идёт в жопу, заставляя физиков не по детски охреневать плакать от бессилия.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Вот тут то на сцену выходит знаменитый еврей и рассказывает всем правду со своими догадками. Оказывается, на самом деле всё выглядит так, будто время в разных системах отсчёта идёт по-разному. Если система отсчёта движется, то время в ней замедляет течение. И как бы мы в этой системе не пытались измерить скорость света, замедление времени даст нам результат, равный той же константе с, которую мы получили бы, не двигаясь никуда. (Маленькое уточнение: с – максимальная скорость любых взаимодействий, в том числе электромагнитных)


Первая главная идея – идея специальной теории относительности: нет никакой общей системы отсчёта. У каждого – своя. Системы отсчёта не равны. Именно в этом суть идеи: всё относительно. События, движение, процессы, взаимодействия - всё что угодно происходит и измеряется относительно чего-то. Относительно того, кто измеряет, например. Да, системы отсчёта равнозначны, в них действуют одни и те же законы, действуют одинаково, но сами системы не равны друг другу.


Вторая главная идея – идея общей теории относительности: нет никакой гравитации, это всё искривление пространства. Все гравитационные взаимодействия – следствия влияния инерционной массы на пространство рядом с ней. Нет воздействия одного тела на другое посредством гравитации, это пространство искривляется так, что одно тело "притягивает" другое (и наоборот). Наличие массы даёт геометрическое искажение пространства. Прямая линия нихрена не прямая, нам только кажется.


Это самая суть, если в двух абзацах. Теперь к ошибкам.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Первая, самая распространённая ошибка. Теория относительности (и общая и специальная) – это не теория, объясняющая причины наблюдаемых явлений. По сути – это математическая модель, набор уравнений, позволяющих просчитать то или иное наблюдаемое явление. Например, релятивистское изменение массы или времени. Уравнения основаны на наблюдениях за явлениями и лишь описывают их. Сама по себе механика явлений для ТО не доступна. Когда я спрашиваю, почему время в движущейся системе отсчета замедляется, мне в ответ приводят формулу релятивистского замедления времени. Но разве время смотрит на эту формулу, говорит «О! Чуть помедленнее, кони!» и затем изменяет свой бег? Что именно заставляет процессы замедляться? Почему это происходит?

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

Теория относительности на этот вопрос ответа не даст.


Вторая по распространённости, но первая по важности ошибка. Теория описывает наблюдаемые процессы. Все эффекты, которые ей предсказываются/наблюдаются в действительности можно описать фразой «выглядит так, как будто…» и дальше соответствующее математическое выражение. Однако «выглядит как будто» и «на самом деле так» - это две большие разницы. В случае с теорией относительности данный момент вообще принципиален. Например, из уравнения релятивистского замедления времени следует, что на скорости света время просто останавливается. Для света времени нет. Фотон не знает о времени, которое затратил на свой полёт. Так утверждает теория. Но так ли это на самом деле? Если бы для фотона время не существовало само по себе, мы бы его не наблюдали. Действительно, остановка времени означает запрет на все процессы взаимодействия, ибо они происходят во времени. Фотон не поглощался бы веществом и не замедлял свою скорость в среде – ведь для него не существует времени, он «не знает» где распространяется.


Повторюсь на всякий: теория относительности отлично описывает эффекты, но не стоит распространять её дальше положенного.


Третья ошибка, связанная со второй: постулаты теории относительности справедливы для неё.

Любой постулат нужен для того, чтобы на него можно было опираться при построении теории. Как правила в игре: используя их, мы можем посмотреть, до какого итога доиграемся. В любой теории постулаты используются для того же – на основе их посмотреть, что получится в итоге. Какие математические модели, какие уравнения.

Однако как только мы меняем саму игру, глупо следовать в ней правилам старой игры. Кое-что можно, конечно, заимствовать, но тогда это будет не новая игра, а обновлённая старая. Если мы хотим новую теорию, тогда постулаты старой надо рассматривать не как незыблемые правила для новой.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

В качестве ярчайшего примера могу привести непреодолимость скорости света как следствие постулата одинаковости её в разных системах отсчёта. Мы знаем, что двигаться со скоростью выше скорости света нельзя. «Нельзя и всё тут». А иначе энергия+масса движущегося тела становится мнимой (из уравнения коэффициента Лоренца), время вообще ведёт себя хрен знает как и вся математика разваливается. Цимес кроется как раз в двух последних словах: математика разваливается. Но математика – это следствие наблюдения, закон, имитирующий явления. Это не причина для физического процесса. С другой стороны, природа даёт нам прозрачнейшие подсказки существования движения на сверхсветовых скоростях, пусть и в слегка необычном варианте.


Смотрите на звёзды. На самые дальние структуры типа квазаров, протогалактик и так далее. Всё, что мы наблюдаем, находится в радиусе примерно 13,2 млрд. св. лет от нас. Дальше мы не видим, просто не можем. Но то, что мы видим – история развития вселенной – показывает нам далёкое прошлое. То, что происходило как раз те самые 13,2 млрд. лет назад. Возникает вопрос: свет шёл к нам 13,2 млрд. лет, значит уже тогда, давным-давно, где-то там, далеко-далеко уже что-то было. Но как же большой взрыв? Он ведь произошёл в достаточно ограниченной области. Как вещество успело преодолеть за очень-очень короткое время колоссальное расстояние в 13,2 млрд. св. лет, чтобы потом начать нам светить? Значит, скорость движения этого вещества была выше скорости света?

Была. Во много-много раз больше. И для некоторого вещества она по сей день остаётся гораздо большей, чем скорость света. Мы ни за что не увидим это вещество, если не научимся перемещаться быстрее света сами. В чём секрет? Вещество перемещается вместе с расширением пространства.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

На скорость расширения пространства нет ограничения в виде максимальной скорости взаимодействий. Оценочные размеры вселенной не 13,2 млрд. св. лет, а все 49,5 (нет, уважаемые пикабушники, с вашими 49,5 см. это не связано).

Можно сказать, что сверхсветовое перемещение как вариант классического варпа был реализован нашей вселенной на самом раннем этапе развития и продолжает существовать до сих пор. Причём, чем дальше (и во времени и в пространстве) – тем быстрее будет этот варп.


Четвёртая ошибка: теория относительности небезгрешна.


Здесь имеется в виду внутренняя непротиворечивость, которая просто таки положена любой хорошей физической теории. В ТО внутренних противоречий достаточно, чтобы не воспринимать её как абсолютно верную даже в собственных рамках.

Один из примеров я уже приводила в предыдущем посте: так называемая гравитационная сингулярность. По сути, это такое явление, которое должно наблюдаться при очень-очень больших массах (но в действительности не наблюдается, хотя массы есть). Если мы берём ну очень большую массу, она искажает пространство настолько, что кривизна его по расчётам становится бесконечной. А что такое бесконечная кривизна в ТО? Бесконечное ускорение. Это значит, что любое тело за любой сколь угодно малый промежуток времени приобретает скорость выше скорости света.

Теория относительности. Классические ошибки понимания классической физики. Физика, Длиннопост, Теория относительности

В целом обе теории относительности оказались весьма важны для развития физики и построения уже более глубоких теорий всего, так что заслуги их я ни в коей мере не умаляю. Просто будьте аккуратнее в суждениях.


Ну а напоследок предлагаю выбрать тему для следующего поста:


Почему скорость света такая, какая есть.


В чём суть теории струн (М-теории) и каково её место в физике.


Непустое «пустое» пространство – вакуум.


Применение ландшафта теории струн при проектировке гиперсветовых двигателей.


Спасибо, мы не нуждаемся в ваших услугах.


зы: баянометр поворчал на картинки, но не сильно.

Показать полностью 6
743

Физика

Физика Физика, Аристотель, Галилео, Ньютон, Квантовая физика, Теория относительности, Учебник, Альберт Эйнштейн

Аристотель сказал кучу неправильных вещей. Галилей и Ньютон все починили. Потом Эйнштейн снова все сломал. Теперь мы почти все поняли, кроме маленьких вещей, больших вещей, горячих вещей, холодных вещей, быстрых вещей, тяжелых вещей, темных вещей, турбулентности, и понятия времени.

189

Что значит m в формуле E = mc^2

Продолжение.
Часть 1
Часть 2
Часть 3

Атом водорода имеет меньшую массу, чем сумма масс отдельно взятых протона и электрона. Мы знаем это точно, иначе бы в нашей Вселенной не было бы звёзд, потому что именно благодаря этому «дефекту массы» и возможны ядерные и термоядерные реакции, однако, как может что-то иметь массу меньшую, чем сумма масс его составных частей?

Разумеется, из за этого:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Давайте посмотрим, что же на самом деле означает самое знаменитое уравнение в истории физики.

Это уравнение было опубликовано А. Эйнштейном 27 апреля 1905 года в работе под названием «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?», где заключается: « … если тело отдаёт энергию L в виде излучения, его масса уменьшается на L/c² ». Иными словами, в оригинале, уравнение имело вид:

m = L/c²

(в оригинальной работе Эйнштейи использовал для энергии обозначение L)
Русский перевод здесь, всего 3 странички, можно осилить.

Эйнштейн использовал такую запись, потому что краеугольным камнем современной физики является понимание того, что такое масса.

Мы часто слышим утверждения вроде масса – одна из форм энергии, или масса – «замороженная» энергия, или (в наихудшем виде) масса может быть преобразована в энергию. На самом деле ни одно из данных утверждений не верно на 100%.

Чтобы понять, что же именно значит E = mc², давайте рассмотрим явления, которые не укладываются в наше повседневное и обыденное представление о массе.

Вот, к примеру, одно из них: если два объекта состоят из абсолютно идентичных составных частей, данные объекты не обладают идентичной массой.

(a + b + c) ≠ (b + c + a)

Масса чего-либо созданного из более мелких составных частей не является суммой масс этих частей:

m1 ≠ ma + mb + mc
m2 ≠ ma + mb + mc

Общая масса составного объекта зависит во-первых, от того, как составные части расположены по отношению друг к другу, во-вторых – от того, как они двигаются внутри данного объекта.

Вот конкретный пример: представьте себе пару заводных механических часов, чьё строение идентично до атомной структуры. Единственная разница между ними – то, что пружина в одних часах взведена, и часы идут, а пружина вторых часов расслаблена, и часы стоят. Согласно Эйнштейну, масса тикающих часов больше, потому что шестерёнки и стрелки находятся в движении и их кинетическая энергия больше. Кроме того, пружина в этих часах заведена и имеет большую потенциальную энергию. Между движущимися деталями этих часов возникает трение, которое их слегка нагревает, и атомы, из которых состоят эти часы, двигаются более интенсивно. Тепловая энергия – это та же кинетическая энергия атомов, из которых состоят наши часы.

Так что же говорит нам уравнение E = mc²? То, что вся тепловая, кинетическая и потенциальная энергия часов добавляется к их массе. Мы просто складываем всю эту энергию, делим на скорость света в квадрате и получаем ту «лишнюю» массу, которая добавилась к идущим часам.

Так как величина скорости света в квадрате – астрономически огромное число, полученное нами значение даст прибавку порядка атто-грамм или 1×10⁻¹⁸ доли процента (0,000000000000000001%), однако эта разница в массах присутствует и может быть объективно-измерена в лабораториях.

Этот пример показывает нам, что масса – это не характеристика количества материи в объекте. В повседневной жизни мы просто не замечаем разницы.

Для того, чтобы среди физиков не возникало недопониманий, современная наука оперирует понятием «масса покоя» или «инвариантная масса», то есть – масса недвижимого объекта. Само слово «покоя» часто не произносят, но когда говорят о массе, всегда подразумевают «массу покоя», так как только о данной величине все независимые наблюдатели из любой системы отсчёта смогут договориться (по аналогии с тем, как пространственно-временные интервалы между событиями являются единственной объективной характеристикой, о которой могут договориться независимые наблюдатели).

Из классической ньютоновской механики мы знаем, что полная энергия движущегося объекта растёт, что выражается формулой кинетической энергии E = mv²/2, путём нехитрых преобразований мы можем получить понятие релятивистской массы – массы движущегося тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Таким образом, релятивистская масса является коэффициентом пропорциональности между импульсом и скоростью тела:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Поскольку импульс тела так же вносит свой вклад в полную энергию (и релятивистскую массу), полная версия уравнения Эйнштейна выглядит следующим образом:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Определённая таким образом масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же в любой системе отсчёта. Если мы согласимся считать скорость в единицах скорости света, то данную формулу в специальной теории относительности можно упросить до:

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

Как видно из приведённых формул, релятивистская масса тела растёт с увеличением скорости. Как следствие — по мере приближения к скорости света потребуется всё большая и большая сила для дальнейшего увеличения скорости. Релятивистская масса стала бы бесконечно большой при достижении этого порога, что так же означает, что до придания телу такой скорости, потребуется бесконечно большое усилие.

В общей теории относительности всё ещё больше усложняется, но для нас сегодня m в формуле E = mc² означает массу покоя. Полную же массу можно считать индикатором того, насколько сложно будет придать объекту ускорение, либо какое гравитационное воздействие будет испытывать данный объект.

Вернёмся к примерам, вот ещё один: как только вы включите фонарь, его масса немедленно начнёт уменьшаться. Свет, который исходит от фонаря, уносит энергию, которая ранее была запасена электрохимическим образом в батарее и добавлялась к полной массе фонаря. Наше солнце – в принципе, тот же фонарь, только огромных размеров. Оно теряет около 4 миллионов тонн массы каждую секунду и только его огромные размеры спасают нас от гибели в холоде и тьме, потому что эта масса – лишь 1×10⁻²¹ доля полной массы Солнца (за почти десять миллиардов лет своего существования, Солнце истратило лишь 0,07% своей массы).

Так что же означают слова, что солнце преобразует массу в энергию? Речь не идёт ни о какой алхимии. Вся энергия солнечного света – результат преобразования иной формы энергии – кинетической и потенциальной энергии частиц, из которых состоит наше Солнце. Те 4 миллиона тонн, которые теряет наше Солнце – лишь результат уменьшения потениальной и кинетической энергии частиц, из которых оно состоит.

Всё, что мы взвешиваем на весах – лишь энергия частиц, мы просто никогда этого не замечали.

Ещё пример: представьте, что вы стоите с фонариком в руке внутри закрытого ящика с зеркальными стенками, который, в свою очередь, стоит на больших весах. Уменьшится ли показание весов, если включить фонарик? Ответ – нет, не уменьшится. Хотя масса фонаря и уменьшится, масса всего ящика останется неизменной, так как энергия фотонов, которые покинули фонарик, не покинет пределы ящика, и хотя у фотонов масса покоя отсутствует, их энергия включается в массу покоя ящика.

В каждом из рассмотренных примеров целый объект имел большую массу, чем масса его составных частей, но в начале этого поста было сказано, что масса атома водорода меньше, чем сумма масс протона и электрона, из которых он состоит. Почему так?

Потому что потенциальная энергия может быть и отрицательной. Давайте обозначим потенциальную энергию протона и электрона, находящихся бесконечно далеко друг от друга за нулевую. В силу того, что они притягиваются друг к другу, чем меньше между ними расстояние, тем меньше будет их потенциальная энергия (точно так же, как потенциальная гравитационная энергия уменьшается по мере приближения к поверхности земли). Если они сблизятся до размеров атома водорода, их потенциальная энергия меньше нуля. Хотя электрон в атоме водорода и обладает ещё кинетической энергией, так как он движется вокруг протона, суммарная энергия системы протон-электрон всё равно будет отрицательной, а следовательно, согласно нашей формуле m = E/c² будет так же меньше нуля.

Именно поэтому масса атома водорода меньше, чем сумма масс его составных частей. На самом деле, масса любого атома в периодической таблице будет меньше, чем сумма масс протонов, нейтронов и электронов, из которых они состоят.

Что значит m в формуле E = mc^2 Масса, Энергия, Теория относительности, Физика, Эйштейн, Длиннопост

То же самое касается и молекул. Молекула кислорода O₂ весит меньше, чем два отдельных его атома, так как суммарная потенциальная и кинетическая энергия этих атомов становится меньше нуля, когда они образуют химическую связь друг с другом.

А что насчёт самих протонов? Они состоят из частиц, называемых кварки, и их суммарные массы примерно в 100 раз меньше массы протона. Так откуда же у протона масса? Она «добирается» из глюонов (или, если упрощённо – потенциальной энергии кварков).

Откуда же берётся масса элементарных частиц (электронов или кварков)? По крайней мере в стандартной модели физики частиц, у них нет составных частей (поэтому они и называются элементарными). С определёной точки зрения (и точки зрения до-Эйнштейновской физики), их массы элементарны, однако, и об их массе можно судить, как о некоей форме потенциальной энергии. Например, можно рассматривать их массу, как потенциальную энергию взаимодействия электронов и кварков с полем Хиггса, а так же с электрическими полями, которые они сами же и порождают, либо, в случае с кварками – потенциальная энергия взаимодейтсвия с их глюонными полями.

Даже классический пример так называемого «преобразования массы в энергию» – аннигиляцию материи и антиматерии концептуально сводится к тому же преобразованию одного вида энергии к другому, и вам не требуется алхимия по преобразованию массы в энергию для его объяснения.

Основная идея данного поста в том, что масса – понятие виртуальное. Это всего лишь свойство, свойство, которое проявляет энергия, поэтому некорректно думать, что масса может являться мерой количества материала в том или ином объекте, на самом деле, это характеристика количества энергии, которой данный объект обладает. Значение именно этой характеристики мы получаем, когда взвешиваем тот или иной объект.

Показать полностью 5
91

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности

Первая часть моей релятивисткой поэмы была посвящена больше инструментам, которые должны помочь нам разобраться с некоторыми аспектами специальной теории относительности (СТО) – диаграммами Минковского и преобразованиями Лоренца. В этой части мы начнём использовать эти инструменты, чтобы разбирать конкретные кажущиеся парадоксы.


Итак, когда мы хотим перемеситься из неподвижной системы отчёта в подвижную или обратно, на помощь нам приходят преобразования Лоренца:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Одним из важных свойств данных преобразований является то, что события, которые в одной системе отсчёта происходили в одно и то же время, вовсе не обязательно будут одновременными в движущейся системе. Это влечёт за собой вывод – события, которые неподвижному наблюдателю кажутся одновременными, не будут являться таковыми для движущегося наблюдателя —


ОДНОВРЕМЕННОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНА!


Иными словами наблюдатели, один из которых неподвижен, а второй движется, никогда не смогут договориться об одновременности каких-либо событий.


На диаграмме внизу видно, как три события A, B и C, которые происходят одновременно для неподвижного наблюдателя (имеют одну и ту же вертикальную временную координату), для движущихся наблюдателей, эти события уже не одновременны, более того, наблюдатети, движущиеся с разной скоростью будут спорить друг с другом так же и порядке их наступления:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Если мы приглядимся к формуле Лоренцева преобразования для скорости, мы увидим, что новая временная координата зависит и от скорости и от первоначального положения события в пространстве. Из-за того, что в знаменателе стоит скорость света в квадрате — астрономическое число (89 875 517 873 681,764 км/с – восемьдесят девять триллионов километров в секунду), при малых скоростях данная часть формулы практически всегда равна 0, однако, при увеличении скорости и расстояния до события до значений, сопоставимых со скоростью света растёт и разница в восприятии временной координаты данного события.

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Одними из наиболее удивительных свойств преобразований Лоренца являются релятивистское замедление времени и Лоренцево сокращение. Оба эффекта являются, так или иначе, следствием свойства относительности одновременности.


Давайте разберёмся для начала с замедлением времени.


Предположим, Алиса движется на 33% скорости света, и у неё есть секундомер, которым она отмеряет каждую секунду своего путешествия. Борис остаётся неподвижным, и у него тоже есть секундомер. Алиса смотрит в телескоп на секундомер Бориса, сравнивает его показания со своим секундомером и выясняет, что у Бориса каждая секунда длится примерно на 6% дольше. Эту картину мы наблюдаем на следующей диаграмме, которая показывает, каким мир видит Алиса.

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Но тут Борис тоже решил взглянуть через телескоп на секундомер Алисы и сравнить показания. Внезапно оказывается, что это у Алисы часы идут медленнее, чем у него, что мы видим на следующей диаграмме (скорость указана -0,33с).

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

На самом деле, разбираться, кто из них прав, смысла большого нет, так как оба наших героя забывают об относительности одновременности. Алиса считает, что каждую секунду Бориса, на её часах проходит 1,06 с, она предполагает, что её часы синхронизированы с часами Бориса, однако в её системе отсчёта, это уже не так. Если два секундомера разделяет расстояние L, каждый из наблюдателей будет видеть на часах другого задержку в v * L/c^2 секунд.


Чтобы ещё более наглядно представить себе суть явления замедления времени, давайте сконструируем особые часы, состоящие из двух зеркал, расположенных друг напротив друга, а между ними пульсирует луч света, отражаясь поочерёдно от каждого зеркала, отсчитывая, таким образом, равные интервалы времени. Если мы сядем в космический корабль, разгонимся и будем смотреть на это устройство, то будем наблюдать нечто подобное:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Если же мы отправим данное устройство в полёт, а сами останемся на Земле, то картина, которую мы будем наблюдать, будет уже другой:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Очевидно, что теперь луч света проходит большее расстояние от зеркала до зеркала и, соответственно, длительность каждого импульса будет дольше.


Лоренцево сокращение


Для начала суть: длины движущегося по отношению к нам объекта будут нам казаться короче, чем они есть.

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Предположим, у нас есть движущийся стержень определённой длины. Мы измеряем стержень, двигаясь вместе с ним, в его собственной системе отсчёта (на диаграмме – отрезок OB), затем повторяем измерение из неподвижной системы отсчёта (получаем отрезок OC). Как видим из эксперимента, длина движущегося стержня в неподвижной системе отсчёта будет короче.

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Невольно может возникнуть вопрос: а какая же длина истинна? Правильного ответа на данный вопрос не существует. Вернее, оба варианта – правильные. Длины в нашем мире относительны, поэтому ответ на данный вопрос требует уточнения – в какой системе отсчёта?


Корни данный феномен берёт всё так же – из относительности одновременности. Сам факт измерения длины предполагает вычисления разности пространственных координат начала и конца стержня, причём эти координаты должны быть взяты ОДНОВРЕМЕННО. Однако, как мы уже поняли, в нашем мире два события, произошедшие одновременно для одного наблюдателя, вовсе не будут одновременными для другого.


А что же сам свет? Давайте подставим в формулы преобразований Лоренца скорость света. Строго говоря, нам это не удастся из-за коэффициента гамма:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Как видно, если мы подставим в качестве v скорость света, весь знаменатель обратится в ноль, а на ноль делить нельзя иногда можно.


С математической точки зрения, данное выражение будет лишено смысла, однако физически сам свет (и любые безмассовые частицы) перемещается в вакууме, не испытывая течения времени вообще. Более того, для фотона света так же не существует и расстояний, так как любое расстояние для него равно нулю. Для фотона света существует только постоянное здесь и сейчас.

Сложение скоростей


Предположим, у нас есть пистолет, который стреляет удивительно-быстрыми пулями на скорости 60% световой. Если мы построим диаграмму подобного выстрела, то она будет выглядеть следующим образом:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Предположим теперь, что мы произвели выстрел из того же пистолета, но при этом мы сами уже двигались на скорости 50% световой. Классическая механика подсказывает нам, что для нахождения скорости пули относительно неподвижного наблюдателя, необходимо сложить нашу скорость 0,5 с и скорость пули 0,6 с, что в сумме даст 110% скорости света.

Однако, в действительности сложение скоростей работает, разумеется не так, в чём легко убедиться, если мы сдвинем ползунок скорости до 0,5 с:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Как мы видим, пуля по-прежнему летит быстро, но по-прежнему не превышает скорость света (жёлтая линия, проходящая под 45° к основным осям). В релятивистской механике сложение скоростей так же зависит от скорости света и считается по формуле:

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

где v1 и v2 – скорости складываемых объектов. Так, скорость нашей пули в движущейся системе отсчёта будет примерно равна (0,5 + 0,6) / (1 + 0,3) = 1,1 / 1,3 или 84,6% скорости света (как видите, применение коэффициентов скорости света вместо стандартных единиц измерения скорости значительно упрощает расчёты).


Рассмотренные примеры могут навести на мысль, что всё субъективно. Если два наблюдателя в разных системах отсчёта не могут договориться ни о расстоянии до какого-либо события, ни о времени его наступления, ни даже о хронологии наступления двух разных событий, то что же останется объективно?


Оказывается, есть характеристика, с которой согласятся все наблюдатели в любой точке вселенной, с какой бы скоростью относительно друг друга они не двигались. Эта характеристика называется пространственно-временным интервалом между событиями.

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Даже если два наблюдателя движутся с разными скоростями и измеряют разные расстояния и временные интервалы между двумя наблюдаемыми событиями, пространственно-временной интервал между ними для обоих будет одним и тем же.


Раз пространственно-временной интервал между событиями универсален для всех наблюдателей, возможно, он что-то значит?


Как мы видим из формулы, знак минус означает, что интервал может быть нулевым, положительным и отрицательным.


Если интервал положительный, то события никак не могут повлиять друг на друга, хотя разные наблюдатели могут и не соглашаться в их хронологии. Если же интервал нулевой или отрицательный, то сигналы одного события могут влиять на сигналы другого.


И так, мы видим, что знак пространственно-временного интервала отвечает на вопрос, могут ли два разных события повлиять друг на друга или не могут. Иными все наблюдатели соглашаются с причинностью двух событий.


Эта идея может идти вразрез с нашей интуицией, так как обычно, когда мы рассуждаем о причинности, мы думаем, что причинность определяется временем, однако, это не так, в действительности же время определяется причинностью.

Специальная теория относительности. Часть 2 Относительность одновременности Теория относительности, Научпоп, Причинность, Относительность времени, Гифка, Длиннопост

Формула пространственно-временного интервала напомнила Герману Минковскому в своё время формулу расстояния в 4D пространстве и именно тогда у него возникла идея о том, что наша реальность – это не эволюционирующее во времени трёхмерное пространство, а четырёхмерное пространство-время, а точки в нём – события, а его неевклидова геометрия – единственное, что можно назвать объективно реальным.


Наша жизнь в данном пространстве – это мировая линия с точками рождения и смерти со своими пространственно-временными координатами. Мы воспринимаем реальность, будто мы двигаемся вдоль этой мировой линии, однако, на самом деле, мы – и есть эта линия. Наше будущее не просто предопределено – оно уже существует.


На этой оптимистичной ноте разрешите закончить вторую часть своего повествования. В третьей части мы продолжим рассматривать теорию относительности, для закрепления материала рассмотрим распространённые парадоксы с ней связанные, а так же поговорим о том, почему термин скорость света – это вовсе не про свет (или не только про свет).



P.S. В процессе работы над данным постом для подготовки некоторых иллюстраций, мне пришлось на(говно)кодить небольшую программку под Windows, где можно размещать на пространственно-временных диаграммах  различные события и смотреть, что с ними происходит в разных системах отсчёта. Если кому-то интересно поиграться, вот ссылка на неё на Github.

Показать полностью 14
64

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца

В ходе ряда обсуждений в комментариях здесь, я встречал довольно дикие представления и заблуждения о теории относительности, поэтому подумал, что стоит кратко изложить основные её положения, и постараться при этом избежать по возможности формул и заумных терминов, чтобы не отпугнуть пытливые умы от этой темы.


Сразу оговорюсь, что данный пост не ставит перед собой целью изложить, разжевать и объяснить всё (всего не знал даже Эйнштейн). Моей целью по большей части является пробуждение интереса к этой теме.


С определённой точки зрения, можно сказать, что физика это наука о движении. Она изучает движения планет и звёзд, движение электронов и протонов, движение молекул вещества и свойства, которые проявляет материя в результате этого движения. Роль теории относительности в этом всём - изучение того, как данное движение наблюдается с разных точек зрения. Есть, строго говоря, две теории относительности - специальная и общая. Разница лишь в том, что в специальной теории рассматривается лишь ограниченный (специальный) набор таких точек зрения.


Возьмём, например, Луну. Мы находимся на Земле, и нам кажется, что Луна движется по дуге от горизонта до горизонта.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Если же посмотреть со стороны, но не сильно удаляясь от Земли, то мы увидим, как Луна вращается вокруг Земли.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Если мы посмотрим со стороны Солнца, то окажется, что Луна движется по спирали:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Так есть ли какая-нибудь одна, самая правильная точка зрения? Одна из целей специальной теории относительности (СТО) является поиск ответа на данный вопрос.


На самом деле вопросов всего 2:

1) Что МЕНЯЕТСЯ, когда изменяется точка зрения?

2) Что НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ, когда это происходит?


Как уже было показано на примере орбиты Луны, в зависимости от выбора точки зрения, картинка, которую мы можем наблюдать, будет весьма разной, поэтому ответ на первый вопрос кажется очевидным. Что же касается второго вопроса – давайте разбираться.


Если мы будем наблюдать достаточно долго, то заметим, что вне зависимости от выбранной нами точки зрения, относительное расстояние между Землёй и Луной остаётся неизменным. Ага! Значит, это расстояние – фундаментальное свойство системы Земля-Луна, а не артефакт нашей точки зрения, откуда бы мы не проводили наблюдения, расстояние между Землёй и Луной всегда будет одним и тем же!


Этот пример показывает одну из основных задач теории относительности – поиск истины, того, что не меняется при смене точки зрения, поиск универсальных фактов, которые остаются неизменными при любых обстоятельствах.


Определившись с целью, теперь необходимо подобрать подходящий «инструмент» – способ описания движения и изменений, которые происходят при смене точки зрения (или отсчёта, как принято говорить), поэтому начать предлагаю с пространственно-временных диаграмм.


Хотя теория относительности и изучает по большей части движение, давайте начнём с неподвижных объектов


Все наверное в курсе, как применить координатную сетку для нахождения координат собаки по отношению к дому. Мы можем определить смещение по обеим осям от дома и найти координаты (14;17):

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Однако, эти координаты – не универсальный факт. В зависимости от того, как мы наложим координатную сетку, данные координаты могут существенно измениться:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Думаю, понятно, что от смены начала координат и ориентации (смены точки отсчёта) мы можем добиться того, чтобы у нашей собачки были абсолютно любые координаты, какие захотим. Таким образом, мы говорим, что ПОЛОЖЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ОТНОСИТЕЛЬНО.


Давайте выпустим вторую собачку и рассмотрим расстояние между ними. Очевидно, что как бы мы не изменяли точку отсчёта и ориентацию системы координат, расстояние между ними никак не изменится. Иными словами РАССТОЯНИЯ АБСОЛЮТНЫ.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Сами того не ведая, мы только что произвели 2 преобразования: трансляцию и поворот:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Однако, если нам будет позволено растягивать или сжимать шкалу, по которой мы производим измерения, то внезапно окажется, что число, выражающее расстояние между объектами так же может измениться:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Так никуда не годится! Нам нужно что-то для сравнения, эталон длины, с которым можно сравнить дистанцию между собачками, чтобы уже точно знать, какое между ними расстояние. Наиболее очевидный способ измерить расстояние – это измерить его в попугаях:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Когда мы сообщаем свои координаты, мы обязательно должны сообщить так же единицу измерения – тот эталон, с чем необходимо сравнивать (градусы, метры, попугаи, световые годы). Однако, какую бы единицу измерения мы не применили, очевидно, что измеренная в этих единицах дистанция будет всегда сохраняться неизменной.


Теперь, когда у нас появилось что-то для сравнения, мы можем сказать следующее ОТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ДЛИНАМИ АБСОЛЮТНО.


Далее, по ходу изложения, я не буду употреблять какие-либо конкретные единицы измерения, так как очевидно, что это не принципиально. То же самое будет касаться единиц времени: это по вашему желанию могут быть секунды, годы или века.


Вернёмся к движению – чтобы показать график движения мы будем применять диаграммы, где по горизонтальной оси откладывается расстояние (обозначено x), а по вертикальной – временные интервалы (обозначено t).


Так, диаграмма покоя относительно начала координат и диаграмма движения будут выглядеть следующим образом:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

К этому стоит немного адаптироваться, так как обычно принято отображать шкалу времени по горизонтали. На диаграмме не показано перемещение собачки в двух измерениях, мы наблюдаем только одно пространственное измерение и одно временное.


Собственно, мы только что заново изобрели диаграмму пространства-времени, которую в 1908 году предложил немецкий математик Герман Минковский, причём, наша собачка отображена в двумерном представлении так называемого «пространства Минковского».


Предположим, мы задались целью, проследить, как перемещается наша собачка (пусть будет Алиса) по нашему двору. Каждый момент времени мы отмечаем её положение и строим, таким образом, её мировую линию, где в каждый момент времени у нашей Алисы есть временная координата t и пространственная координата x.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Мы использовали только одно пространственное измерение (x) исключительно для упрощения и наглядности, так как для двух измерений нам бы пришлось использовать уже трёхмерный график. К сожалению, для того, чтобы построить мировую линию в трёхмерном пространстве, нам понадобилось бы самим находиться в 4-м пространственном измерении, что пока невозможно.


Следует просто иметь в виду, что полные координаты объекта в нашем, четырёхмерном пространстве-времени записываются при помощи 4-х координат (t;x;y;z). Думаю, это тоже очевидно любому, кто хоть раз назначал встречу – мы должны договориться о времени (t) и о месте её проведения (x;y;z).


Давайте посмотрим на друга Алисы – Бориса, который убегает от неё со скоростью примерно 1 м/с. Как мы уже выяснили, дистанция не зависит от точки отсчёта, при этом, дистанция  между ними в каждый момент времени сохраняется при переходе от точки отсчёта Алисы к точке отсчёта Бориса:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

И вот мы подходим, наконец, к одному из фундаментальных принципов теории относительности – отсутствию предпочтительной системы отсчёта.


Действительно, давайте взглянем на эти графики ещё раз. Имея только эту информацию перед глазами, можем ли мы сказать о том, кто из наших питомцев находится в движении, а кто – стоит на месте? При отсутствии иных фактов с уверенностью можно сказать лишь одно – расстояние между ними увеличивается каждый момент времени.


Но если мы и дальше хотим работать с диаграммами пространства-времени, нам, наверное, понадобится какое-либо иное преобразование, отличное от трансляции и поворота, так как ни трансляция, ни поворот не смогут трансформировать левую диаграмму – в правую, хотя нам очевидно, что обе диаграммы показывают одну и ту же ситуацию. Нам нужно преобразование, которое сохраняло бы не только пространственные дистанции между объектами, но и временные интервалы.


Давайте попробуем преобразовать точку зрения Алисы в точку зрения Бориса. На таких малых скоростях, мы можем это сделать интуитивно при помощи трансформации сдвига (взять каждую точку на диаграммы Алисы и сдвинуть влево, чтобы координаты Бориса оставались бы неизменными.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Однако здесь нам следует остановиться и вспомнить второй постулат специальной теории относительности, который гласит:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Получается, вместе со сдвигом нам необходимо ещё сжимать или растягивать мировые линии таким образом, чтобы скорость света была неизменной в любой трансформации.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

На помощь нам приходят преобразования имени голландского физика Хендрика Лоренца.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Оранжевой пунктирной линией показана мировая линия луча света, скорость которого сохраняется вне зависимости от выбора точки отсчёта. В формуле мы видим букву v, которая обозначает скорость, а это значит, что скорость движения объекта сильно изменяет саму координатную сетку, в которой "живёт" движущийся объект.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Поскольку скорость света является фундаментальной константой, которая всегда одна и та же, на пространственно-временных диаграммах принято по пространственной оси х откладывать шкалу в масштабе световых единиц длины (световая секунда, минута, год), иными словами – расстояние, которое свет проходит за указанную единицу времени.


Таким образом, мировая линия луча света на диаграммах, построенных по такому принципу, всегда находится под углом 45 градусов к базовым осям.

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Визуально преобразование можно представить как сжатие диаграммы вдоль одной мировой световой линии и одновременное растяжение вдоль перпендикулярной. На анимации ниже видно, как происходит трансформация точки зрения Алисы (красная мировая линия) в точку зрения Бориса (зелёная мировая линия) и обратно, если предположить, что скорость, на которой они удаляются друг от друга со скоростью в 50% скорости света:

Специальная теория относительности. Часть 1 Диаграммы Минковского и преобразования Лоренца Теория относительности, Физика, Научпоп, Гифка, Длиннопост

Диаграммы Минковского позволяют визуализировать и интуитивно разбирать сложные концепции специальной теории относительности и бесценны для её понимания.


А о том, что со всем этим делать дальше, я напишу в следующем посте.

Показать полностью 18
784

Что вы увидите при разгоне до скорости света

Из-за аберрации света и эффекта Доплера картинка так необычно искажается. А из-за замедления времени, которое описывает теория относительности, полет даже к самым далеким звездам может занять всего несколько минут (если вы выдержите такое ускорение, правда:))

Что вы увидите при разгоне до скорости света Физика, Наука, Скорость света, Скорость, Космос, Время, Теория относительности, Эффект Доплера, Гифка
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: