Такое замедление времени, в принципе, является способом путешествовать в будущее. Астронавт вернется на Землю молодым человеком, а его брат-близнец уже поседеет, и может быть даже умрет. Конечно, нельзя вернуться назад, в собственную молодость. И тем, кто планирует путешествие в будущее, нужно хорошо подумать о своей налоговой декларации, иначе налоговые инспектора будут очень недовольны.
Вместе с замедлением времени нужно быть готовым и к укорочению расстояний – это еще одно следствие постоянства скорости света. Ведь время и расстояние относительны. При околосветовых скоростях все расстояния укорачиваются на тот же коэффициент, на который замедляется время.
В обычной жизни эффект укорочения расстояний заметить трудно. При скорости 100 километров в час метровый стержень укорачивается всего на 0,000 000 000 004 миллиметра. Но при 90 процентах от скорости света любой объект станет короче уже на 44%. А если астронавт полетит к Веге со скоростью, составляющей 98% от скорости света, то через 5 лет в своей системе отсчета он преодолеет расстояние в 5 – 0,98 = 4,9 световых года – в то время как с точки зрения Земли он пролетит 25 световых лет.
Замедление времени и укорочение расстояний – это свойства пространства и времени, а не вещества. Ваш живот не уменьшится оттого, что вы путешествуете с околосветовой скоростью. Пытаясь развеять многие заблуждения, в том числе и среди своих коллег, Эйнштейн писал в 1911 году:
«Вопрос о том, реально ли сокращение Лоренца, вводит в заблуждение. Нельзя назвать «реальным» то, что не существует для наблюдателя, который движется вместе с объектом наблюдения; но оно вполне реально для неподвижного наблюдателя, и в принципе его можно было бы зафиксировать с помощью физических приборов».
И это еще не все. От скорости и направления движения наблюдателя зависит, какой путь, по его мнению, проходит луч света или другой движущийся объект. Этот эффект называется релятивистской аберрацией. Линии покажутся такому наблюдателю изогнутыми, а предметы искривленными. Он даже сможет увидеть то, что уже осталось позади. Даже Эйнштейн не сразу осознал это следствие специальной теории относительности. Первую теоретическую работу о «правильном» сокращении длины напечатал в 1924 году Антон Лампа[13], затем в 1959 году его выводы подтвердили Роджер Пенроуз[14] и Джеймс Террелл[15]. Наглядно этот эффект показывает компьютерная симуляция, сделанная в 1990-х годах командой Ханса Рудера[16] из Университета Тюбингена.
Антон Лампа[13], Роджер Пенроуз[14] и Джеймс Террелл[15]. Ханса Рудера[16]Цвет и яркость быстро движущегося объекта также изменяется. Если бы мы могли пролететь мимо солнца со скоростью, близкой к Скорости света, мы заметили бы, что оно стало сначала ослепительно-голубым, затем белым, потом оранжевым и наконец превратилось в тусклый темно-красный огонек в зеркале заднего вида. Это происходит потому, что при приближении световая волна как бы сжимается (и, таким образом, перемещается в более высокоэнергетическую голубую область спектра), а удаляясь от нас, она растягивается (и следовательно, обладает меньшей энергией и становится более красной). Кроме того, с сокращением длин волн интенсивность излучения увеличивается.
Когда 1+1 не равно 2
Когда 1+1 не равно 2
Когда 1+1 не равно 2Согласно теории относительности, 1 + 1 не всегда равняется 2. Правда, это происходит на скоростях, превышающих разрешенные полицией. В обычной жизни скорость двух объектов друг относительно друга равна сумме их скоростей. Но не на околосветовых скоростях. Казалось бы, если космический корабль, летящий с околосветовой скоростью, выпустит лазерный луч, тот должен лететь со скоростью, почти превышающей скорость света в два раза. Но специальная теория относительности говорит, что это так не работает. Она применяет новую формулу сложения для околосветовых скоростей. Но дорожному движению она не помешают, и вы по-прежнему сможете играть в настольный теннис не изучая ее.
Пример релятивистской теории сложения: представьте себе, что поезд идет в Штутгарт со скоростью 200 километров в час, но опять опаздывает. Внутри поезда идет взволнованный пассажир в поисках кондуктора. Он движется со скоростью 5 километров в час. Тогда, согласно специальной теории относительности, скорость, с которой пассажир движется относительно наблюдателя, неподвижно стоящего на платформе, будет не 200 + 5 = 205 километров в час, а на 0,17 нанометра в час меньше. То есть пассажир, согласно релятивистскому расчету, пройдет в час меньшее расстояние, но эта разница составит всего чуть меньше двух атомных диаметров, и он не пропустит пересадку. Совсем по-другому работает релятивистская формула сложения при околосветовых скоростях.
Если бы в хвост снаряда, летящего со скоростью три четверти скорости света, ударила столь же быстро летящая ракета, то она разогнала бы его не до скорости в полтора раза больше скорости света, а «всего лишь» до 96% от нее. (Для тех, кто любит точность: это не vrel = v1 – v2, а vrel = (v1 – v2)/(1 – (v1v2 /c2)), где vrel – относительная скорость, v1 и v2 – индивидуальные скорости, c —скорость света в вакууме.)
E = mc2 – скрытое единство природы
E = mc2 – скрытое единство природы
E = mc2 – скрытое единство природыВскоре после завершения работы над специальной теорией относительности Эйнштейн понял, что она может объяснить не только взаимосвязь пространства и времени, но также массы и энергии. В сентябре 1905 года он опубликовал трехстраничное дополнение, в котором очень осторожно задал вопрос: «Зависит ли масса тела от содержащейся в нем энергии?» Там он показал, что объект, излучающий энергию, может терять массу. В конце статьи он написал:
«Масса тела – это мера содержащейся в нем энергии. Не исключено, что в случае с телами, чье энергетическое содержание очень изменчиво, проверка теории будет успешной».
Это открытие было фундаментальным. Оно опровергло – можно сказать, что «релятивизировало» – общепринятое представление о «сохранении массы». В публикации 1907 года Эйнштейн подвел итог:
«Этот результат был очень важен для теории, так как позволил рассматривать инертную массу и внутреннюю энергию в системе как величины, физически связанные между собой».
Эйнштейн понял одну из самых глубоких тайн природы и заключил ее в простую формулу: E = mc2. Энергия «Е» и масса покоя «т» оказались двумя сторонами одной медали, поскольку они связаны друг с другом через квадрат скорости света «c». «C» означает «константа» («constant») или сокращение латинского обозначения скорости («celeritas»). Итак, масса – это просто определенная форма энергии, таково удивительное следствие теории относительности.
Энергия связанная и освобожденная
Энергия связанная и освобожденная
Энергия связанная и освобожденнаяИз-за огромного коэффициента пересчета c2, когда тела тратят или получают энергию в повседневной жизни, их масса изменяется мало. Например, если нагреть килограмм золота на десять градусов Цельсия, его масса увеличится всего на 14 триллионных долей грамма – плохая новость для владельцев золотых слитков, таким способом они вряд ли станут богаче.
И тем не менее покоящиеся тела таят в себе огромный запас энергии. Один грамм массы равен 25 миллионам киловатт-ч, столько же энергии выделилось бы при сжигании 2,15 миллиона литров бензина. Кирпич массой 1 кг. теоретически мог бы обеспечивать энергией 100-ваттную лампочку накаливания в течение 30 миллионов лет. Однако на практике эту энергию нельзя извлечь.
Формула Эйнштейна учитывала также энергию связи протонов и нейтронов в ядрах атомов. Поэтому масса ядра немного меньше, чем сумма масс протонов и нейтронов, из которых оно состоит. На этом основано производство энергии с помощью ядерного синтеза (для элементов легче железа) или ядерного деления (для более тяжелых элементов). Около 0,1% массы может быть преобразовано в полезную энергию в результате ядерного деления, что ежедневно демонстрируют атомные электростанции, а при ядерном синтезе водорода в гелий – даже около 0,8% массы.