Общие представления об относительности

Общие представления об относительности

Слово «относительность» происходит от понятия «отношение». Теория относительности в физике описывает отношения между разными системами отсчета. Теория имеет важные следствия, касающиеся нашей ментальности, наших взаимоотношений и природы реальности. У каждой умственной или физической системы отсчета есть связанная с ней специфическая точка зрения.

Например, одной физической системой отсчета могла бы быть Земля, на которой вы стоите, наблюдая проходящий мимо поезд. Второй системой отсчета могли бы быть вы на поезде, движущемся по рельсам по этой земле.

Рис. 20.1. Две системы отсчета: земля и движущийся поезд

С точки зрения человека в поезде, если поезд идет тихо и не качается, может казаться, что поезд стоит, а мир снаружи поезда двигается. Приходилось ли вам когда-нибудь сомневаться в отношении того, что происходит: поезд двигается, а земля неподвижна, или поезд стоит на месте, а земля движется мимо него? Этот опыт указывает на то, что не существует такой вещи, как единственна, верная и абсолютная система отсчета. Каждая точка зрения относительна.

Физики говорят, что поскольку никакая система отсчета не абсолютна, основные законы должны быть сформулированы так, чтобы подходить для всех систем отсчета, и должны иметь одну и ту же обоснованность и основную форму во всех системах отсчета. Иными словами, одни и те же законы движения должны быть одинаково применимы и для человека, стоящего на земле, и для человека, едущего на поезде, который идет с постоянной скоростью по отношению к земле.

Как мы более подробно увидим позднее, оказывается, что законы Ньютона не соблюдаются одинаковым образом во всех системах. Правила, которым подчиняются ньютонианские представления об электричестве и магнетизме, дают очень разные ответы применительно к событиям, происходящим с точек зрения человека, стоящего на земле, и человека, едущего в поезде.

Эйнштейн в своей специальной теории относительности объяснял, как соотносить то, что происходит в одной системе отсчета, с тем, что происходит в другой, как соотносить точку зрения человека в поезде с точкой зрения человека, стоящего на земле. Оказывается, что если относительные скорости очень велики, то есть если поезд идет очень быстро, то для того, чтобы физические законы были одними и теми же во всех системах, должны меняться понятия пространства и времени. Относительность будет изменять наше ощущение общепринятой реальности и заставлять нас пересматривать ее абсолютность. Но давайте не будем спешить.

Суть в том, что теория относительности описывает, почему пространство и время больше нельзя понимать так, как мы понимаем их в повседневной реальности. В теории относительности основные измерения ОР – пространство и время – перестают быть абсолютными и независимыми друг от друга. Если мы путешествуем в космической ракете, то линейка, которая кажется нам имеющей длину 1 метр, будет казаться более короткой тому, кто стоит на земле и измеряет линейку с помощью телескопа.

В физике относительности пришлось создать новое пространствоподобное измерение взамен прежних, отдельных представлений о пространстве и времени, поскольку время и пространство варьировали в зависимости от системы отсчета. Новое измерение называется «пространство-время» и представляет собой сочетание того, что раньше называлось пространством и временем.

Эйнштейн показал, что для того, чтобы законы физики оставались одними и теми же во всех системах, сами события должны рассматриваться «релятивистски»; это означает, что форма, размер и масса вещей зависят от относительной скорости и направления событий. Например, если кто-то проходит в поезде 2 метра, то для человека, стоящего на земле, это расстояние будет выглядеть чуть меньшим, чем 2 метра. Насколько меньшим? Это зависит от скорости поезда по отношению к земле.

Теория относительности утверждает, что не существует ничего или почти ничего абсолютного. Только скорость света остается неизменной во всех системах отсчета. Мы увидим, что независимо от того, как вы измеряете скорость света, она имеет тенденцию быть одной и той же. Сегодняшняя физика предполагает, что даже если вы двигаетесь вдоль светового луча почти с той же скоростью, что и он, то независимо от того, насколько вы приближаетесь к этому лучу, вы всегда будете измерять ту же самую скорость света. Теория относительности полна чудес. Относительно все, кроме скорости света.

Пространство и время могут меняться; пространство сжимается, а время замедляется: с точки зрения человека, стоящего на земле, часы в поезде идут медленнее. Почему мы всего этого не замечаем? Одна из причин состоит в том, что ничего из этих странных вещей не происходит, пока относительные скорости не становятся близкими к скорости света. Как бы быстро ни двигался поезд по отношению к земле, это лишь малая доля скорости света. Вот почему, даже если бы мы, стоя на земле, могли бросить быстрый взгляд на часы в поезде, то не увидели бы сокращения пространства и замедления времени.

Еще одна причина того, что мы не замечаем подобные вещи, связана с тем, что обычно мы маргинализируем собственные необщепринятые переживания. У большинства из нас бывали ситуации, когда время казалось идущим очень быстро или непомерно медленно. Поскольку наша скорость в ОР обычно составляет от 0 до 1000 км/час (на самолетах), а скорость света равна 300 000 км/сек, и поскольку мы склонны маргинализировать опыт НОР, некоторые люди бывают потрясены, узнав, что пространство и время зависят от системы отсчета.