На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Работа для физиков
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Дополнительно
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









§ 7. Замедление времени

Вернемся еще раз к нашему поезду. Допустим, что, например, в его заднем конце происходят два события,
моменты наступления которых пусть будут t`0 и t`1. На основании предыдущего опыта мы не можем ожидать, что и для неподвижного наблюдателя моменты этих событий будут теми же самыми; обозначим их поэтому теперь через t`0 и t`1. Нашей задачей будет сейчас найти соотношение, связывающее промежуток времени
t`1 — t`0 с промежутком t1 — t0.

Для этого предположим, что одновременно с первым событием из этой точки к переднему концу поезда отправляется световой сигнал, который отражается там от зеркала и возвращается обратно как раз в момент наступления второго события. Для этого едущий в поезде наблюдатель должен установить зеркало на расстоянии c*(t`1 — t`0)/2 от места, где происходят события.
 
Перейдем на точку зрения неподвижного наблюдателя. Для него поезд движется со скоростью v, а потому световой сигнал сначала догоняет зеркало, а потом летит навстречу той точке, из которой он был выпущен. Кроме того, расстояние между местом событий и зерка лом равно не c*(t`1 — t`0)/2, а в силу лоренцова сокращения величине

Маленькое изображение 

Останется подставить сюда величину 2а/с, которая, очевидно, равна (t`1t`0) √(1 - v2/c2). Получаем окончательно

Маленькое изображение
 

Следовательно, промежуток времени t1t0 больше промежутка t`1t`0. Это значит, что если, например, в поезде установлены часы, отбивающие секунды, то неподвижный наблюдатель найдет, что промежуток времени между двумя последовательными ударами больше секунды, т. е. с его точки зрения часы в поезде отстают.
 
Но, согласно принципу относительности, оба наблюдателя равноправны. Поэтому для наблюдателя в поезде отставать будут, наоборот, «земные» часы. Замедление времени так же «взаимно», как и лоренцово сокращение; и по-прежнему, конечно, в этом нет никакого противоречия. Для разных наблюдателей одни и те же процессы протекают по-разному; при этом все наблюдатели равноправны. Описание какого-нибудь явления, данное с одной точки зрения, мы всегда можем перевести на «язык» другой точки зрения. В следующем параграфе для этого будут даны полные формулы. В то же время бессмысленно пытаться совсем освободиться от какой бы то ни было «точки зрения», точно так же как пытаться изложить какую-нибудь мысль без всякого конкретного языка. Любое высказывание есть высказывание на каком-то определенном языке — русском, немецком, китайском, английском и т. д. Мы всегда имеем возможность перевода с одного языка на другой. Но нелепо требовать, чтобы это высказывание было передано «таким, каково оно есть», без всякого языка.
 
Однако в факте относительности времени заключен все же некий парадокс. Предположим сначала, что поезд стоит у станции. Тогда установленные в нем часы идут с той же скоростью, что и «земные». Пусть теперь поезд трогается. По мере того как он набирает скорость, неподвижный наблюдатель обнаруживает, что часы в поезде все больше отстают. Пусть, далее, пройдя некоторое расстояние, поезд тормозит, останавливается, а затем пускается в обратный путь, прибывает на ту же станцию и здесь останавливается окончательно. Все время, пока он двигался, его часы шли медленнее часов неподвижного наблюдателя. По окончании эксперимента окажется, следовательно, что часы в поезде отстали по сравнению с «земными», т. е. их стрелки сделали меньшее число оборотов.
 
Но ведь, согласно принципу относительности, мы имеем право считать поезд неподвижным, а землю —-движущейся! Только для наблюдателя в поезде все явления должны протекать в обратном порядке, и он должен прийти к выводу, что отстали, наоборот, «земные» часы.
 
Так какие же часы все-таки отстали? И не пришли ли мы к противоречию? Конечно, нет. Дело в том, что в наших рассуждениях содержится ошибка — мы не имеем права считать в данном случае обоих наблюдателей равноправными, так как поезд движется неравномерно. Принцип относительности распространяется лишь на равномерные и прямолинейные движения; физические законы для наблюдателя в поезде выглядят несколько иначе, чем для неподвижного наблюдателя. Это не значит, что на точку зрения движущегося наблюдателя в данном случае вообще нельзя становиться,— просто наши формулы к этому случаю не относятся; теперь нужны другие, более сложные формулы. Забегая вперед, скажем, что в действительности отстанут часы именно в поезде и по этому признаку можно безошибочно сказать, что он двигался неравномерно. Впрочем, к этому парадоксу часов мы еще будем иметь случай вернуться.
 
Интересно, что эффект замедления времени был, по существу, получен еще Лоренцом. Мы уже упоминали о том, что Лоренц установил для уравнения Максвелла некий особый принцип относительности. Принцип этот требовал, чтобы в системе движущихся сквозь эфир тел было введено новое время, отличающееся от «истинного». Лишь при этом условии уравнения Максвелла сохраняли свой вид, т. е. оставались в силе и для движущихся зарядов. Это местное, или эффективное, время Лоренц считал некоей математической фикцией, нужной лишь для упрощения выкладок; реальный физический смысл он признавал лишь за «истинным» временем. Но по мере развития теории все более ясно обнаруживалось, что физические процессы в движущейся системе тел подчиняются именно этому эффективному времени, а отнюдь не «истинному», которое все больше утрачивало реальный смысл. Оказалось, что это «истинное» время нельзя даже измерить, оно стало какой-то «тенью». Эйнштейну оставалось лишь окончательно выбросить эту «тень» из рассмотрения вместе с эфиром и прочими наслоениями. Можно сказать поэтому, что Лоренц сам выковал оружие против своей собственной теории. После появления работ Эйнштейна Лоренц с мужеством настоящего ученого признал его правоту и ошибочность собственных позиций.
 
Излишне говорить о том, что поиски динамических причин замедления времени так же бессмысленны, как и в случае лоренцова сокращения. Так же, как и там, это — одно из проявлений свойств пространства и времени. Заметим также, что наряду с рассматриваемым относительным временем в теории относительности существует и другое, абсолютное время. С ним мы познакомимся позднее.
 
Мы не будем сейчас заниматься вычислениями, долженствующими показать крайнюю малость замедления времени в обычных условиях. Читатель без труда проведет их сам, воспользовавшись той же приближенной формулой. Гораздо важнее, что этот эффект является одним из тех, которые с полной отчетливостью удалось  обнаружить на  опыте.
 
Для его обнаружения необходимы, конечно, огромные скорости; ясно поэтому, что обычные часы, вроде секундомеров, здесь совершенно непригодны. К счастью, здесь природа позаботилась сама, предоставив в наше распоряжение весьма точные часы, которым можно сообщать самые высокие скорости без опасения испортить механизм. Речь идет об «атомных часах».
 
Известно, что атомы всех элементов в определенных условиях испускают лучи света вполне определенных частот; совокупность этих частот характерна для данного элемента и составляет его спектр. Рассматривая излучение данного элемента через прибор для изучения спектров — спектроскоп, мы увидим ряд линий, каждая из которых отвечает одной из частот спектра.
 
Исследуя под спектроскопом излучение далеких звезд, астрономы обнаружили среди многочисленных линий их спектров те, которые совпадают с линиями уже известных на Земле элементов; ныне этот спектральный анализ является могущественнейшим орудием астрофизики. Но спектры многих звезд обнаруживают одну особенность — линии их спектров зачастую находятся не на положенных местах, а бывают слегка сдвинуты (все сразу) в ту или другую сторону. Таким образом, частоты всех световых колебаний, испускаемых звездой, оказываются несколько смещенными. Это явление объясняется движением звезд относительно Земли.
 
Пусть, например, звезда и Земля сближаются. Если стать на точку зрения неподвижной звезды, то окажется, что Земля встречает «гребни» световых волн чаще, чем если бы она была неподвижна; это и значит, что излучаемые звездой колебания воспринимаются на Земле с большей частотой. С точки зрения неподвижной Земли звезда как бы нагоняет свой собственный свет; поэтому длины световых волн укорачиваются, а более короткие волны отвечают более высокой частоте. Если звезда и Земля взаимно удаляются, то дело, очевидно, будет наоборот — частота уменьшится.
 
Этот эффект изменения частот давно известен; он называется эффектом Доплера. Как видим, объяснение его не требует привлечения теории относительности — он является эффектом классическим. Эффект Доплера служит одним из самых надежных средств измерения лучевых скоростей звезд, т. е. их скоростей вдоль луча зрения, соединяющего светило с Землей. Если звезда движется перпендикулярно к лучу зрения, эффект отсутствует. Читателю известно, конечно, что аналогичный эффект наблюдается и при распространении звуковых волн.
 
Теория относительности, сохраняя в основных чертах объяснение эффекта Доплера, вносит в него небольшую поправку. Каждый атом испускает световые колебания, сообразуясь со своим собственным временем. Если звезда относительно Земли движется, то все процессы там для земного наблюдателя несколько замедлены, и поэтому в дополнение к классическому должен наблюдаться также небольшой релятивистский эффект. Этот последний не зависит от направления скорости и определяется только ее абсолютной величиной. Даже если звезда движется точно перпендикулярно к лучу зрения, так что классический эффект отсутствует, релятивистский эффект должен наблюдаться.
 
Так как в нашем распоряжении нет способа достаточно точно контролировать направление и скорость движения звезд, отделить релятивистский эффект от классического в условиях астрономических наблюдений мы не в состоянии. Однако в лабораторных условиях такую возможность создать можно.
 
Современная электронная техника позволяет создавать потоки атомов и разгонять их до огромных скоростей, приближающихся к скорости света. Поставив спектроскоп сбоку, перпендикулярно к направлению движения атомов, можно надеяться обнаружить чисто релятивистский поперечный эффект Доплера. Трудность здесь состоит в том, чтобы отделить этот малый поперечный эффект от гораздо большего продольного классического эффекта, проявляющегося при малейшем отклонении положения спектроскопа от строго перпендикулярного направления. Трудности эти удалось преодолеть, и поперечный эффект Доплера был обнаружен и измерен. Результаты оказались прекрасно согласующимися с выводами теории относительности. Таким образом, относительность времени оказывается вполне реальным фактом, подтвержденным экспериментальным путем.
 
Другое подтверждение этот вывод теории относительности нашел при исследовании космических лучей. Проникая в земную атмосферу, эти лучи вызывают ливни «элементарных» частиц, среди которых встречаются мезоны с очень коротким временем «жизни», по прошествии которого они распадаются, превращаясь в другие частицы. Оказалось, что быстро движущиеся мезоны «живут» в 10—20 раз дольше, чем медленные. Здесь тоже проявляется релятивистский эффект замедления времени. Каждый мезон «сам для себя» существует в среднем одно и то же время (около 200 микросекунд). Но приборы регистрируют это время по-разному, в зависимости от скорости самого мезона относительно прибора. Предлагаем читателю на основании этих данных рассчитать скорости быстрых мезонов.




Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.