Движение относительно!
Этот хорошо известный со времен Галилея принцип механики утверждает, что покой нельзя отличить от равномерного прямолинейного движения. И в общем-то хорошо сочетается со «здравым смыслом». Каждый знает по своим ощущениям, что с закрытыми глазами не отличишь покоя от плавного движения корабля или самолета.
Иначе обстоит дело со второй аксиомой. Хотя положение о том, что скорость света оказывается одинаковой для разных наблюдателей вне зависимости от их движения (это и есть вторая аксиома), было в то время физикам известно, оно все же рассматривалось как некий странный опытный факт, в котором еще надо разобраться. Эйнштейн возвел это странное положение дел в ранг аксиомы.
Явление, о котором идет речь, было обнаружено Майкельсоном и Морлеем в 1887 году. Исследователи поставили перед собой задачу сравнить скорость распространения света с востока на запад и с севера на юг. Такое сравнение похоже на сопоставление результатов измерений двух лабораторий – одной, движущейся вместе с нашей планетой, а другой – не участвующей в суточном движении Земли. Опыт показал, что скорость света одинаковая. Результат эксперимента делал непонятным поведение носителя света – всепроникающего невесомого эфира. Различные попытки примирения опыта Майкельсона с физикой XIX века безуспешно продолжались до 1905 года. Эйнштейн разрубил гордиев узел – непонятный факт возводился в принцип, в исходное понятие. Надо было считать это явление фактом, данным нам природой.
Объединение двух аксиом означало совершенно новую формулировку принципа относительности. То, что верно для скорости света, справедливо и для любых других проявлений электромагнетизма. Поэтому, утверждал Эйнштейн, никакими физическими опытами нельзя выделить одну систему из бесконечного числа систем, движущихся равномерно и прямолинейно друг по отношению к другу. Эти системы совершенно равноправны.
К каким же выводам приведут нас эти две аксиомы? Студенты Московского университета приема 2965 года будут, наверное, усваивать эти выводы на практике. Преподаватель попросит Мишу и Петю занять места в двух тождественных ракетах, нажмет нужные рычаги и отправит их в учебное путешествие. Для выяснения сущности теории относительности проще всего поступить следующим образом: космические вагоны надо отправить по одной линии в разные стороны; в каждом вагоне на противоположных боковых стенках следует поместить источник и приемник света. Перед отправлением Миша и Петя тщательно сверяют свои часы и налаживают радиоприемники и передатчики.
Первое задание преподавателя звучит так: измерить по часам время, необходимое для прохождения света от одной боковой стены своего вагона до противоположной. После того как ускоряющие двигатели были выключены и вагоны перешли в режим равномерного движения, студенты приступили к измерению времени.
– Все в порядке, – сообщают они друг другу и преподавателю, – передаем результаты.
Цифры совпадают: вагоны в точности одинаковые, опыты тождественные – иначе и быть не может, – время по часам Миши, измеряемое Мишей, и время по часам Пети, измеряемое Петей, течет одинаково.
Второе задание заключается в измерении того же события, но на чужом корабле. Теперь Миша измеряет время прохождения светового луча в Петином корабле, а Петя определяет время такого же события в Мишином корабле. Измерения, естественно, носят уже другой характер. Мгновения, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени, могут быть сообщены на чужой корабль при помощи радиосигнала. Миша измеряет время между приходами радиосигналов, которые послал Петя, а Петя измеряет интервал времени, который проходит между радиосигналами, посланными Мишей. Теперь Миша измеряет время, идущее по часам Пети, а Петя измеряет время, идущее по часам Миши. Измерения дают другой результат: у обоих студентов получились опять-таки одинаковые цифры (условия измерения полностью симметричны), но цифры оказались несколько большими, чем в первом измерении. Попутешествовав на своих ракетах в разных условиях, студенты устанавливают на опыте следующее. Для наблюдателя, неподвижного по отношению к событию, временно?й интервал события имеет какое-то характерное значение. Движущиеся наблюдатели для этого же события будут получать бо?льшие цифры, и при этом тем большие, чем быстрее они движутся.
Оказывается, время относительно. Результат измерения времени зависит от состояния движения измеряющего по отношению к измеряемому событию.
– Но этот результат эксперимента есть строгое следствие аксиом Эйнштейна, – поясняет Миша Пете (или Петя Мише; мы не будем лишать их симметрии). – Обрати внимание на то, что луч света идет поперек вагона только тогда, когда мы ведем наблюдение за своим лучом.
Наблюдая же за чужим вагоном, каждый из нас двоих отмечает: добираясь от источника до приемника, луч прошел большее расстояние. Оно равно длине гипотенузы некоего треугольника. Одна сторона его – путь, на который переместился чужой вагон, пока свет достигал приемника, а другая – ширина вагона. Но скорость света одинакова для нас обоих. А путь, пройденный лучами, разный. Значит, промежуток времени, за который свет прошел расстояние от источника до приемника в своем вагоне, меньше для своего наблюдателя (свет прошел более короткий путь – поперек вагона), чем для чужого (в чужом вагоне он, нам кажется, прошел по гипотенузе). А это как раз то, что мы с тобой наблюдали, заключает Миша (или Петя).
После этого наша пара спокойно отправляется обедать, нисколько не взволнованная революционностью полученного результата.
Но современникам открытия Эйнштейна принятие этого вывода давалось с большим трудом.
– Время не абсолютно!
– Время зависит от движения наблюдателя!
– Один и тот же процесс протекает с разной скоростью, если наблюдать за ним с разных позиций!
Все эти формулировки одного и того же факта казались необычными, странными, противоречащими здравому смыслу. Особенно неприятно было соглашаться со следствием, вытекающим из симметрии наблюдателей: для каждого из двоих измерения своих событий приводят к меньшим цифрам. Так, Миша сообщает Пете: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 секунды; но Петя сообщает Мише: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 микросекунды. Чтобы парадокс был яснее, его можно сформулировать так: Миша устанавливает, что отстают Петины часы, а Петя – что отстают Мишины часы.
А нельзя ли выяснить, чьи часы отстают на самом деле после того, как Миша и Петя возвратятся из своего учебного путешествия в космос?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46
Этот хорошо известный со времен Галилея принцип механики утверждает, что покой нельзя отличить от равномерного прямолинейного движения. И в общем-то хорошо сочетается со «здравым смыслом». Каждый знает по своим ощущениям, что с закрытыми глазами не отличишь покоя от плавного движения корабля или самолета.
Иначе обстоит дело со второй аксиомой. Хотя положение о том, что скорость света оказывается одинаковой для разных наблюдателей вне зависимости от их движения (это и есть вторая аксиома), было в то время физикам известно, оно все же рассматривалось как некий странный опытный факт, в котором еще надо разобраться. Эйнштейн возвел это странное положение дел в ранг аксиомы.
Явление, о котором идет речь, было обнаружено Майкельсоном и Морлеем в 1887 году. Исследователи поставили перед собой задачу сравнить скорость распространения света с востока на запад и с севера на юг. Такое сравнение похоже на сопоставление результатов измерений двух лабораторий – одной, движущейся вместе с нашей планетой, а другой – не участвующей в суточном движении Земли. Опыт показал, что скорость света одинаковая. Результат эксперимента делал непонятным поведение носителя света – всепроникающего невесомого эфира. Различные попытки примирения опыта Майкельсона с физикой XIX века безуспешно продолжались до 1905 года. Эйнштейн разрубил гордиев узел – непонятный факт возводился в принцип, в исходное понятие. Надо было считать это явление фактом, данным нам природой.
Объединение двух аксиом означало совершенно новую формулировку принципа относительности. То, что верно для скорости света, справедливо и для любых других проявлений электромагнетизма. Поэтому, утверждал Эйнштейн, никакими физическими опытами нельзя выделить одну систему из бесконечного числа систем, движущихся равномерно и прямолинейно друг по отношению к другу. Эти системы совершенно равноправны.
К каким же выводам приведут нас эти две аксиомы? Студенты Московского университета приема 2965 года будут, наверное, усваивать эти выводы на практике. Преподаватель попросит Мишу и Петю занять места в двух тождественных ракетах, нажмет нужные рычаги и отправит их в учебное путешествие. Для выяснения сущности теории относительности проще всего поступить следующим образом: космические вагоны надо отправить по одной линии в разные стороны; в каждом вагоне на противоположных боковых стенках следует поместить источник и приемник света. Перед отправлением Миша и Петя тщательно сверяют свои часы и налаживают радиоприемники и передатчики.
Первое задание преподавателя звучит так: измерить по часам время, необходимое для прохождения света от одной боковой стены своего вагона до противоположной. После того как ускоряющие двигатели были выключены и вагоны перешли в режим равномерного движения, студенты приступили к измерению времени.
– Все в порядке, – сообщают они друг другу и преподавателю, – передаем результаты.
Цифры совпадают: вагоны в точности одинаковые, опыты тождественные – иначе и быть не может, – время по часам Миши, измеряемое Мишей, и время по часам Пети, измеряемое Петей, течет одинаково.
Второе задание заключается в измерении того же события, но на чужом корабле. Теперь Миша измеряет время прохождения светового луча в Петином корабле, а Петя определяет время такого же события в Мишином корабле. Измерения, естественно, носят уже другой характер. Мгновения, соответствующие началу и концу измеряемого интервала времени, могут быть сообщены на чужой корабль при помощи радиосигнала. Миша измеряет время между приходами радиосигналов, которые послал Петя, а Петя измеряет интервал времени, который проходит между радиосигналами, посланными Мишей. Теперь Миша измеряет время, идущее по часам Пети, а Петя измеряет время, идущее по часам Миши. Измерения дают другой результат: у обоих студентов получились опять-таки одинаковые цифры (условия измерения полностью симметричны), но цифры оказались несколько большими, чем в первом измерении. Попутешествовав на своих ракетах в разных условиях, студенты устанавливают на опыте следующее. Для наблюдателя, неподвижного по отношению к событию, временно?й интервал события имеет какое-то характерное значение. Движущиеся наблюдатели для этого же события будут получать бо?льшие цифры, и при этом тем большие, чем быстрее они движутся.
Оказывается, время относительно. Результат измерения времени зависит от состояния движения измеряющего по отношению к измеряемому событию.
– Но этот результат эксперимента есть строгое следствие аксиом Эйнштейна, – поясняет Миша Пете (или Петя Мише; мы не будем лишать их симметрии). – Обрати внимание на то, что луч света идет поперек вагона только тогда, когда мы ведем наблюдение за своим лучом.
Наблюдая же за чужим вагоном, каждый из нас двоих отмечает: добираясь от источника до приемника, луч прошел большее расстояние. Оно равно длине гипотенузы некоего треугольника. Одна сторона его – путь, на который переместился чужой вагон, пока свет достигал приемника, а другая – ширина вагона. Но скорость света одинакова для нас обоих. А путь, пройденный лучами, разный. Значит, промежуток времени, за который свет прошел расстояние от источника до приемника в своем вагоне, меньше для своего наблюдателя (свет прошел более короткий путь – поперек вагона), чем для чужого (в чужом вагоне он, нам кажется, прошел по гипотенузе). А это как раз то, что мы с тобой наблюдали, заключает Миша (или Петя).
После этого наша пара спокойно отправляется обедать, нисколько не взволнованная революционностью полученного результата.
Но современникам открытия Эйнштейна принятие этого вывода давалось с большим трудом.
– Время не абсолютно!
– Время зависит от движения наблюдателя!
– Один и тот же процесс протекает с разной скоростью, если наблюдать за ним с разных позиций!
Все эти формулировки одного и того же факта казались необычными, странными, противоречащими здравому смыслу. Особенно неприятно было соглашаться со следствием, вытекающим из симметрии наблюдателей: для каждого из двоих измерения своих событий приводят к меньшим цифрам. Так, Миша сообщает Пете: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 секунды; но Петя сообщает Мише: мой световой сигнал затратил на прохождение пути 1 микросекунду, а твой сигнал – 1.1 микросекунды. Чтобы парадокс был яснее, его можно сформулировать так: Миша устанавливает, что отстают Петины часы, а Петя – что отстают Мишины часы.
А нельзя ли выяснить, чьи часы отстают на самом деле после того, как Миша и Петя возвратятся из своего учебного путешествия в космос?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46