Что называется релятивистским замедлением времени? Что это - время в физике

Специальная теория относительности, опубликованная в 1905 году Эйнштейном и ставшая важным обобщением ряда более ранних гипотез, является одной из самых резонансных и обсуждаемых в физике.

Действительно, сложно представить, что при движении объекта с околосветовой скоростью физические процессы начинают протекать для него совершенно необычным образом: сокращается его длина, увеличивается масса, а время замедляется. Сразу после публикации начались попытки дискредитации теории, которые продолжаются и сегодня, хотя прошло уже больше ста лет. Это и неудивительно, ведь вопрос о том, что такое время, издавна волновал человечество и привлекал всеобщее внимание.

Что такое релятивизм

Суть релятивистской механики (она же – специальная теория относительности, далее - СТО) и её отличие от классической ярко выражается прямым переводом её названия: латинское relativus означает «относительный». В рамках СТО постулируется неизбежность замедления времени для объекта при его движении относительно наблюдателя.

Различие данной теории, предложенной Альбертом Эйнштейном, от ньютоновской механики и состоит в том, что все происходящие процессы можно рассматривать только относительно друг друга или некоторого стороннего наблюдателя. Прежде чем описать, в чем заключается релятивистское замедление времени, необходимо несколько углубиться в вопрос становления теории и определить, почему её формулировка вообще стала возможной и даже обязательной.

Истоки теории относительности

К концу XIX века ученые пришли к пониманию, что некоторые экспериментальные данные не вписываются в картину мира, основанную на базе классической механики.

Фундаментальными противоречиями заканчивались попытки совместить механику Ньютона с уравнениями Максвелла, описывающими движение электромагнитных волн в вакууме и сплошных средах. Уже было известно, что свет – это именно такая волна, и он должен рассматриваться в рамках электродинамики, но спорить с наглядной и, главное, проверенной временем механикой было крайне проблематично.

Противоречие, однако, было налицо. Предположим, что перед движущимся поездом закреплен фонарь, который светит вперед. Согласно Ньютону, скорости поезда и света, исходящего из фонаря, должны складываться. Уравнения же Максвелла в этой гипотетической ситуации попросту «ломались». Назревала необходимость совершенно нового подхода.

Специальная теория относительности

Считать, что Эйнштейн придумал теорию относительности, было бы некорректно. В действительности он обращался к работам и гипотезам ученых, трудившихся до него. Однако автор подошел к вопросу с другой стороны и вместо механики Ньютона признал «априори верными» уравнения Максвелла.

Помимо знаменитого принципа относительности (по сути, сформулированного ещё Галилеем, правда, в рамках классической механики), такой подход привёл Эйнштейна к интереснейшему утверждению: скорость света является постоянной во всех системах отсчёта. И именно этот вывод позволяет нам говорить о возможности изменения стандартов времени при движении объекта.

Постоянство скорости света

Казалось бы, утверждение «скорость света является постоянной» не является удивительным. Но попробуйте представить: вы стоите неподвижно и смотрите, как свет удаляется от вас с фиксированной скоростью. Вы летите вслед за лучом, но он продолжает от вас удаляться ровно с той же скоростью. Более того, развернувшись и полетев в противоположную от луча сторону, вы никак не измените скорость вашего удаления друг от друга!

Как такое возможно? Здесь начинается разговор о релятивистском эффекте замедления времени. Интересно? Тогда читаем далее!

Релятивистское замедление времени по Эйнштейну

Когда скорость объекта приближается к скорости света, внутреннее время объекта, согласно расчётам, замедляется. Если же предположить, что параллельно солнечному лучу с аналогичной скоростью двигается человек, время для него перестанет идти вовсе. Существует формула релятивистского замедления времени, отражающая его взаимосвязь со скоростью объекта.

Однако при изучении данного вопроса следует помнить, что ни одно тело, обладающее массой, не может даже теоретически достигнуть скорости света.

Парадоксы, связанные с теорией

Специальная теория относительности является научным трудом и непроста для понимания. Однако интерес общественности к вопросу о том, что такое время, регулярно порождает идеи, на бытовом уровне кажущиеся неразрешимыми парадоксами. Например, следующий пример ставит в тупик большинство людей, знакомящихся с СТО без каких-либо знаний в области физики.

Существует два самолёта, один из которых летит прямо, а второй взлетает и, описав дугу со скоростью, близкой к скорости света, догоняет первый. Предсказуемо оказывается, что время для второго аппарата (который летел с околосветовой скоростью) протекало медленнее, чем для первого. Однако, в соответствии с постулатом СТО, системы отсчета для обоих самолётов равноправны. А значит, время может протекать медленнее как для одного, так и для другого аппарата. Казалось бы, это тупик. Но...

Разрешение парадоксов

В действительности источником такого рода парадоксов служит непонимание механизма работы теории. Разрешить упомянутое противоречие можно, используя известный умозрительный эксперимент.

У нас имеется сарай с двумя дверьми, образующими сквозной проход, и шест, длина которого несколько больше длины сарая. Если мы протянем шест от двери до двери, они не смогут закрыться либо же просто сломают наш шест. Если же шест, влетая в сарай, будет обладать скоростью, близкой к скорости света, его длина уменьшится (напомним: у объекта, двигающегося со скоростью света, длина будет нулевой), и в момент его нахождения внутри сарая мы сможем закрыть и открыть двери, не сломав наш реквизит.

С другой стороны, как и в примере с самолётом, относительно шеста должен уменьшаться именно сарай. Парадокс повторяется, и, казалось бы, выхода нет – оба объекта синхронно сокращаются в длину. Однако вспомним, что всё относительно, и решим задачу при помощи изменения времени.

Относительность одновременности

Когда передний край шеста будет находиться внутри, перед передней дверью, мы можем её закрыть и открыть, а в тот момент, когда шест влетит в сарай полностью, проделаем то же самое с задней дверью. Казалось бы, мы это делаем не одновременно, и эксперимент не удался, но тут и выясняется главное: в соответствии со специальной теорией относительности, моменты закрытия обеих дверей располагаются в одной точке на оси времени.

Это происходит по той причине, что события, происходящие одновременно в одной системе отсчета, не будут одновременны в другой. Релятивистское замедление времени проявляется во взаимоотношении объектов, и мы возвращаемся к абсолютно бытовому обобщению теории Эйнштейна: всё относительно.

Есть ещё одна деталь: равноправность систем отсчета актуальна в СТО, когда оба объекта двигаются равномерно и прямолинейно. Как только одно из тел переходит к ускорению или замедлению, его система отсчета становится единственно возможной.

Парадокс близнецов

Самым знаменитым парадоксом, объясняющим релятивистское замедление времени «по-простому», является мысленный эксперимент с двумя братьями-близнецами. Один из них улетает на космическом корабле со скоростью, близкой к световой, а другой остаётся на земле. Вернувшись, брат-космонавт обнаруживает, что сам он постарел на 10 лет, а его брат, оставшийся дома - на целых 20.

Общая картина уже должна быть ясна читателю из предыдущих объяснений: для брата на космическом корабле время замедляется, поскольку его скорость близка к скорости света; систему отсчёта относительно брата-на-земле принять мы не можем, поскольку она окажется неинерциальной (перегрузки испытывает только один брат).

Отметить же хочется другое: до какого бы градуса в споре ни доходили оппоненты, факт остается фактом: время в абсолютном его значении остается постоянным. Сколько бы лет брат ни летал на космическом корабле, стареть он продолжит ровно с той скоростью, с которой идёт время в его системе отсчета, и второй брат будет стареть ровно с той же скоростью – разница обнаружится только при их встрече, и ни в каком другом случае.

Гравитационное замедление времени

В заключение следует отметить, что существует второй вид замедления времени, связанный уже с общей теорией относительности.

Ещё в XVIII веке Митчеллом было предсказано существование эффекта красного смещения, заключающегося в том, что при перемещении объекта между областями с сильной и слабой гравитацией время для него будет изменяться. Несмотря на попытки изучения вопроса Лапласом и Зольднером, полноценную работу по данной теме представил только Эйнштейн в 1911 году.

Данный эффект не менее интересен, чем релятивистское замедление времени, но он требует отдельного изучения. И это, как говорится, уже совсем другая история.