Относительность расстояния
Относительность расстояния
Расстояние, которое преодолевает тело, — и его путь — могут по различному оцениваться различными наблюдателями.
Ньютона очень волновало отсутствие абсолютных положений, либо абсолютного места, как принято было гласить, так как это не согласовывалось с его мыслью абсолютного Бога. Практически он отказался принять отсутствие абсолютного места, невзирая на то что его законы предполагали это. За эту иррациональную веру его критиковали многие, в особенности епископ Беркли, философ, полагавший, что все вещественные тела, место и время — иллюзия. Когда известного доктора Джонсона ознакомили с воззрением Беркли, он воскликнул: «Я опровергаю это так!» — и стукнул ногой по большенному камню.
И Аристотель, и Ньютон верили в абсолютное время. Другими словами считали, что можно совершенно точно измерить интервал времени меж 2-мя событиями и приобретенное значение будет одним и этим же, кто бы его ни определял, если использовать четкие часы. В отличие от абсолютного места, абсолютное время согласовывалось с законами Ньютона. И большая часть людей считает, что это соответствует здравому смыслу.
Все же в двадцатом столетии физики были обязаны пересмотреть представления о времени и пространстве. Как мы убедимся в предстоящем, ученые нашли, что интервал времени меж 2-мя событиями, подобно расстоянию меж отскоками теннисного шарика, находится в зависимости от наблюдающего. Физики также открыли, что время не является совсем независящим от места.
Ключом к прозрению стало новое осознание параметров света. Характеристики эти, казалось бы, противоречат нашему опыту, но наш здравый смысл, исправно служащий нам, когда мы имеем дело с яблоками либо планетками, которые движутся сравнимо медлительно, перестает работать в мире околосветовых скоростей.
Тот факт, что свет распространяется с конечной, хотя и очень высочайшей, скоростью, был найден в 1676 г . датским астрологом Оле Христиансеном Рёмером. Следя за спутниками Юпитера, можно увидеть, что временами они исчезают из виду, проходя сзади огромной планетки. Такие затмения в системе спутников Юпитера должны происходить с схожими интервалами, но Рёмер установил, что промежутки меж ними различны. Может быть, скорость движения спутников по орбите то миниатюризируется, то возрастает? Рёмер отыскал другое разъяснение.
Если б свет распространялся с нескончаемой скоростью, то на Земле эти затмения наблюдались бы через равные интервалы времени, в те же моменты, когда они происходят, — подобно тиканью галлактических часов. Приближение Юпитера к Земле либо его удаление не имело бы никакого значения, потому что свет хоть какое расстояние преодолевал бы мгновенно.
Сейчас представим, что свет распространяется с конечной скоростью. Тогда затмения должны наблюдаться спустя некое время после их пришествия. Эта задержка находится в зависимости от скорости света и от расстояния до Юпитера. Если б расстояние меж Юпитером и Землей оставалось постоянным, то и затмения отмечались бы всегда через равные интервалы. Но, когда расстояние меж Землей и Юпитером сокращается, «сигнал» о каждом последующем затмении преодолевает все наименьшее и наименьшее расстояние и добивается нашей планетки со все огромным «опережением графика». По той же причине, когда Юпитер удаляется от Земли, мы лицезреем, что затмения больше запаздывают (рис. 6). Величина опережения и запаздывания находится в зависимости от скорости света, что позволяет ее измерить.
Рис. 6. Скорость света и моменты затмений спутников Юпитера.
Наблюдаемые моменты затмений спутников Юпитера зависят как от реального времени затмений, так и от времени, в течение которого свет преодолевает расстояние от Юпитера до Земли. Так, создается воспоминание, как будто затмения случаются почаще, когда Юпитер сближается с Землей, и пореже — когда удаляется от нее. Этот эффект тут гиперболизирован для наглядности.
Конкретно это и сделал Рёмер. Он увидел, что во время сближения Земли и Юпитера затмения наступают ранее, а во время их удаления друг от друга — позднее, и использовал эту разницу для вычисления скорости света. Но его оценки конфигурации расстояния от Земли до Юпитера были не очень точными, из за чего он получил величину скорости света 225 тыщ км за секунду, хорошую от современной — 300 тыщ км за секунду. И все таки достижение Рёмера достойно восхищения. Ведь он не только лишь установил, что скорость света конечна, и вычислил ее величину, да и сделал это за одиннадцать лет до публикации «Начал» Ньютона.
Удовлетворительной теории распространения света не было до 1865 г ., когда британский физик Максвелл смог соединить до того обособленные описания электронных и магнитных сил. Уравнения Максвелла предвещали возможность волнообразных возмущений сути, которую он именовал электрическим полем. Они должны были распространяться с неизменной скоростью, подобно ряби на поверхности пруда. Вычислив эту скорость, Максвелл нашел, что она точно совпадает со скоростью света!
Сейчас мы знаем, что волны Максвелла воспринимаются человечьим глазом как видимый свет, если их длина находится в интервале от сорока до восьмидесяти миллионных толикой сантиметра. [Длиной волны именуют расстояние меж 2-мя ее гребнями либо впадинами (рис. 7).] Волны, длина которых короче, чем у видимого света, сейчас именуют ультрафиолетовым, рентгеновским и палитра излучением. Волны, превосходящие по длине видимый свет, — это радиоволны (метр либо больше), микроволны (несколько см) и инфракрасное излучение (больше десятитысячной толики сантиметра).
Рис. 7. Длина волны.
Длиной волны именуют расстояние меж 2-мя ее гребнями либо впадинами.
Вытекающее из теории Максвелла положение о том, что радио— и световые волны распространяются с некой неизменной скоростью, было тяжело согласовать с теорией Ньютона. В отсутствие абсолютного эталона покоя не может быть и никакого универсального соглашения о скорости объекта. Чтоб осознать это, опять представьте себя играющим в пинг понг в поезде. Если вы направляете шарик к противнику со скоростью 10 миль в час , то для наблюдающего на платформе скорость шарика составит 100 миль в час: 10 — скорость шарика относительно поезда плюс 90 — скорость поезда относительно платформы. Какова скорость шарика — 10 либо 100 миль в час? Как вы будете ее определять? Относительно поезда? Относительно Земли? Без абсолютного эталона покоя вы не сможете найти абсолютную скорость шарика. Одному и тому же шарику можно приписать всякую скорость зависимо от того, относительно какой системы отсчета она измеряется (рис. 8). Согласно теории Ньютона то же самое должно относиться и к свету. Так какой тогда смысл несет внутри себя утверждение теории Максвелла о том, что световые волны всегда распространяются с схожей скоростью?
Чтоб примирить теорию Максвелла с законами Ньютона, была принята догадка о том, что всюду, даже в вакууме, в «пустом» пространстве, существует некоторая среда, получившая заглавие «эфир». Мысль эфира имела необыкновенную привлекательность для тех ученых, которые считали, что, подобно морским волнам, требующим воды, либо звуковым колебаниям, требующим воздуха, волнам электрической энергии нужна некоторая среда, в какой они могли бы распространяться. С этой точки зрения световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые волны в воздухе, и их скорость, выводимая из уравнений Максвелла, должна измеряться относительно эфира. В таком случае различные наблюдатели фиксировали бы различные значения скорости света, но относительно эфира она оставалась бы неизменной.
Эту идею можно проверить. Представьте для себя свет, испускаемый некоторым источником. Согласно теории эфира свет распространяется в эфире с неизменной скоростью. Если вы движетесь через эфир в сторону источника, скорость, с которой к вам приближается свет, будет складываться из скорости движения света в эфире и вашей скорости относительно эфира. Свет будет приближаться к вам резвее, чем если б вы были недвижны либо, к примеру, двигались в каком то другом направлении. Но это различие в скорости очень тяжело измерить из за того, что скорость света неоднократно больше той скорости, с которой вы могли бы двигаться навстречу источнику.
В 1887 г. Альберт Майкельсон (который потом стал первым южноамериканским лауреатом Нобелевской премии по физике) и Эдвард Морли выполнили очень узкий и тяжелый опыт в Школе прикладных наук в Кливленде. Они решили пользоваться тем, что раз Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км за секунду, то и их лаборатория должна двигаться через эфир с этой относительно высочайшей скоростью. Естественно, никто не знал, перемещается ли эфир относительно Солнца, а если да, то в каком направлении и с какой скоростью. Но, повторяя измерения в различное время года, когда Земля находится в разных точках собственной орбиты, они возлагали надежды учитывать этот неведомый фактор. Майкельсон и Морли разработали опыт, в каком скорость света в направлении движения Земли через эфир (когда мы движемся в сторону источника света) сравнивалась со скоростью света под прямым углом к этому направлению (когда мы не приближаемся к источнику). К несказанному их удивлению, они нашли, что скорость в обоих направлениях в точности схожа!
Разные скорости теннисного шарика.
Согласно теории относительности различающиеся результаты измерений скорости тела, приобретенные различными наблюдателями, идиентично справедливы.
Меж 1887 и 1905 гг. было предпринято несколько попыток спасти теорию эфира. Более увлекательными оказались работы голландского физика Хендрика Лоренца, который попробовал разъяснить итог опыта Майкельсона—Морли сжатием предметов и замедлением хода часов при передвижении через эфир. Но в 1905 г . доныне неведомый сотрудник швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн показал, что всякая надобность в эфире отпадает, если отрешиться от идеи абсолютного времени (вы скоро узнаете почему). Ведущий французский математик Анри Пуанкаре высказал похожие суждения несколькими неделями позднее. Аргументы Эйнштейна были поближе к физике, чем выкладки Пуанкаре, который рассматривал делему как чисто математическую и до последнего собственного денька не воспринимал эйнштейновскую интерпретацию теории.
Базовый постулат Эйнштейна, называемый принципом относительности, говорит, что все законы физики должны быть схожими для всех свободно передвигающихся наблюдателей независимо от их скорости. Это было правильно для законов движения Ньютона, но сейчас Эйнштейн распространил эту идею также и на теорию Максвелла. Другими словами, раз теория Максвелла заявляет скорость света неизменной, то хоть какой свободно передвигающийся наблюдающий должен фиксировать одно и то же значение независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света либо удаляется от него. Естественно, эта обычная мысль растолковала — без вербования эфира либо другой привилегированной системы отсчета — смысл возникновения скорости света в уравнениях Максвелла, но из нее также вытекал ряд умопомрачительных следствий, которые часто противоречили интуиции.
К примеру, требование, чтоб все наблюдатели сошлись в оценке скорости света, вынуждает поменять концепцию времени. Согласно теории относительности наблюдающий, едущий на поезде, и тот, что стоит на платформе, разойдутся в оценке расстояния, пройденного светом. А так как скорость есть расстояние, деленное на время, единственный метод для наблюдателей придти к согласию относительно скорости света — это разойтись также и в оценке времени. Другими словами, теория относительности положила конец идее абсолютного времени! Оказалось, что каждый наблюдающий обязан иметь свою свою меру времени и что схожие часы у различных наблюдателей не непременно будут демонстрировать одно и то же время.
Теория относительности не нуждается в эфире, присутствие которого, как показал опыт Майкельсона—Морли, нереально найти. Заместо этого теория относительности принуждает нас значительно поменять представления о пространстве и времени. Мы должны признать, что время не стопроцентно отделено от места, но составляет с ним некоторую общность — место время. Осознать это нелегко. Даже обществу физиков пригодились годы, чтоб принять теорию относительности. Она — свидетельство обеспеченного воображения Эйнштейна, его возможности к построению теорий, его доверия к своей логике, с помощью которого он делал выводы, не пугаясь тех, казалось бы, странноватых заключений, которые порождала теория.