Специалната теория на относителността, публикувана през 1905 г. от Айнщайн и важно обобщение на редица по-ранни хипотези, е една от най-резонансните и обсъждани във физиката.
Наистина, трудно е да си представим, че когато даден обект се движи със скорост, близка до светлината, физическите процеси започват да протичат за него по напълно необичаен начин: дължината му намалява, масата му се увеличава и времето се забавя. Веднага след публикацията започнаха опити за дискредитиране на теорията, които продължават и днес, въпреки че са минали повече от сто години. Това не е изненадващо, защото въпросът колко е часът отдавна тревожи човечеството и привлича вниманието на всички.
Какво е релативизъм
Същността на релативистичната механика (това е и специалната теория на относителността, наричана по-долу SRT) и нейната разлика от класическата механика е ярко изразена от директния превод на нейното име: латински relativus означава "относителен". SRT постулира неизбежността на забавяне на времето за обект, докато се движи спрямо наблюдател.
Разликатана тази теория, предложена от Алберт Айнщайн, от Нютоновата механика и се крие във факта, че всички протичащи процеси могат да се разглеждат само един спрямо друг или спрямо някакъв външен наблюдател. Преди да опишем какво е релативистично забавяне на времето, е необходимо да се задълбочим малко във въпроса за формирането на теорията и да определим защо нейното формулиране е станало възможно и дори задължително.
Произходът на относителността
До края на 19-ти век учените разбраха, че някои експериментални данни не се вписват в картината на света, базирана на класическата механика.
Фундаментални противоречия доведоха до опити за комбиниране на механиката на Нютон с уравненията на Максуел, описващи движението на електромагнитните вълни във вакуум и непрекъсната среда. Вече беше известно, че светлината е точно такава вълна и трябва да се разглежда в рамките на електродинамиката, но беше изключително проблематично да се спори с визуалната и най-важното изпитана във времето механика..
Противоречието обаче беше очевидно. Да предположим, че пред движещ се влак е фиксиран фенер, който свети напред. Според Нютон скоростите на влака и светлината, идваща от фенера, трябва да се сумират. Уравненията на Максуел в тази хипотетична ситуация просто се „счупиха“. Беше необходим изцяло нов подход.
Специална теория на относителността
Би било неправилно да се смята, че Айнщайн е изобретил теорията на относителността. Всъщност той се обърна към трудовете и хипотезите на учени, които са работили преди него. Авторът обаче се приближивъпрос от друга страна и вместо механиката на Нютон разпозна уравненията на Максуел като "априори правилни".
В допълнение към известния принцип на относителността (всъщност формулиран от Галилей, обаче в рамките на класическата механика), този подход доведе Айнщайн до интересно твърдение: скоростта на светлината е постоянна във всички рамки на справка. И именно това заключение ни позволява да говорим за възможността за промяна на стандартите за време, когато обектът се движи.
Постоянство на скоростта на светлината
Изглежда твърдението "скоростта на светлината е постоянна" не е изненадващо. Но опитайте да си представите, че стоите неподвижно и гледате как светлината се отдалечава от вас с фиксирана скорост. Следвате лъча, но той продължава да се отдалечава от вас с абсолютно същата скорост. Освен това, обръщайки се и летяйки в обратна посока от лъча, вие няма да промените скоростта на разстоянието си един от друг по никакъв начин!
Как е възможно това? Тук започва разговорът за релативистичния ефект на забавянето на времето. Интересно? След това прочетете!
Релативистично забавяне на времето според Айнщайн
Когато скоростта на обекта се доближи до скоростта на светлината, вътрешното време на обекта се изчислява, за да се забави. Ако приемем, че човек се движи успоредно на слънчевия лъч с подобна скорост, времето за него изобщо ще спре да тече. Има формула за релативистично забавяне на времето, отразяваща връзката му със скоростта на обект.
Въпреки това, когато изучаваме този въпрос, трябва да се помни, че никое тяло с маса дори теоретично не може да достигне скоростта на светлината.
Парадокси, свързани с теорията
Специалната теория на относителността е научна работа и не е лесна за разбиране. Въпреки това общественият интерес към въпроса колко е времето редовно поражда идеи, които на всекидневно ниво изглеждат неразрешими парадокси. Например, следният пример озадачава повечето хора, които са запознати със SRT без никакви познания по физика.
Има два самолета, единият от които лети направо, а вторият излита и, описвайки дъга със скорост, близка до скоростта на светлината, настига първия. Очаквано се оказва, че времето за втория апарат (който летеше със скорост, близка до светлинната) е минало по-бавно, отколкото за първия. Въпреки това, в съответствие с постулата на SRT, референтните рамки за двата самолета са равни. Това означава, че времето може да тече по-бавно както за едното, така и за другото устройство. Изглежда, че това е задънена улица. Но…
Разрешаване на парадокси
Всъщност източникът на този вид парадокси е неразбирането на механизма на теорията. Това противоречие може да бъде разрешено с помощта на добре познат спекулативен експеримент.
Имаме навес с две врати, образуващи проход и стълб малко по-дълъг от дължината на навеса. Ако опънем стълба от врата на врата, те няма да могат да се затворят или просто ще ни счупят стълба. Ако стълбът, летящ в плевнята,ще има скорост, близка до скоростта на светлината, дължината му ще намалее (запомнете: обект, движещ се със скоростта на светлината, ще има дължина нула), а в момента, в който е вътре в плевнята, можем да затваряме и отваряме врати, без да счупим нашите подпори.
От друга страна, както в примера със самолета, плевнята трябва да намалява спрямо полюса. Парадоксът се повтаря и, изглежда, няма изход - и двата обекта се намаляват синхронно по дължина. Не забравяйте обаче, че всичко е относително и решете проблема, като промените часа.
Относителност на едновременността
Когато предният ръб на стълба е вътре, пред входната врата, можем да я затваряме и отваряме, а в момента, когато прътът влетя напълно в навеса, ще направим същото с задната врата. Изглежда, че не го правим по едно и също време и експериментът се провали, но тук се оказва основното: в съответствие със специалната теория на относителността моментите на затваряне на двете врати са разположени в една и съща точка на времева ос.
Това се случва, защото събития, възникващи едновременно в една референтна рамка, няма да бъдат едновременни в друга. Релативисткото забавяне на времето се проявява в отношенията на обектите и се връщаме към абсолютно всекидневното обобщение на теорията на Айнщайн: всичко е относително.
Има още една подробност: равенството на референтните системи е от значение в SRT, когато и двата обекта се движат равномерно и праволинейно. Веднага щом едно от телата започне да се ускорява или забавя, неговата референтна система става уникалнавъзможно.
Парадокс на близнаците
Най-известният парадокс, който обяснява релативисткото забавяне на времето "по прост начин" е мисловен експеримент с двама братя близнаци. Единият отлита в космически кораб със скорост, близка до скоростта на светлината, докато другият остава на земята. При завръщането си братът астронавт открива, че самият той е остарял на 10 години, а брат му, който останал у дома, е остарял на цели 20.
Общата картина вече трябва да е ясна за читателя от предишните обяснения: за брата на космическия кораб времето се забавя, защото скоростта му е близка до скоростта на светлината; не можем да приемем референтната рамка спрямо брат на земята, тъй като тя ще се окаже неинерционна (само един брат изпитва претоварване).
Бих искал да отбележа нещо друго: независимо до каква степен опонентите достигнат в спора, фактът остава: времето в своята абсолютна стойност остава постоянно. Без значение колко години един брат лети на космически кораб, той ще продължи да старее точно със същата скорост, докато времето минава в неговата референтна рамка, а вторият брат ще остарява с точно същата скорост - разликата ще бъде разкрита едва когато те се срещат, а не в друг случай.
Разширяване на времето на гравитацията
В заключение трябва да се отбележи, че има втори тип забавяне на времето, което вече е свързано с общата теория на относителността.
Дори през 18-ти век Мичъл предсказва съществуването на червенотоизместване, което означава, че когато даден обект се движи между области със силна и слаба гравитация, времето за това ще се промени. Въпреки опитите за изследване на проблема от Лаплас и Золднер, само Айнщайн представя пълноценна работа по тази тема през 1911 г.
Този ефект е не по-малко интересен от релативисткото забавяне на времето, но изисква отделно изследване. А това, както се казва, е съвсем различна история.
