Щоб визначити швидкість тіла, необхідно виміряти довжину шляху, пройденого ним за певний проміжок часу. Тим самим швидкість вимірюється завжди опосередковано: вимірюються відстані в просторі та проміжки часу.
Історія фізики показує, що найбільший внесок у розкриття властивостей простору і часу зробила теорія відносності, яка за своїм змістом є переважно теорією великих швидкостей.
Що ми знаємо про властивості простору? Ці властивості вивчає геометрія. У тому вигляді, як її вивчають у школах, геометрію розвинули головно ще давні греки за кілька століть до нашої ери. В Європі геометрія греків стала відомою завдяки творам Евкліда. Цю геометрію тому називають евклідовою.
Досвід повсякденного життя показує, що під час вимірювань у просторі ми завжди можемо користуватися теоремами евклідової геометрії. Протягом багатьох століть люди, вимірюючи, наприклад, трикутники, щоразу переконувалися, що сума внутрішніх кутів трикутника дорівнює 180°, а квадрат гіпотенузи прямокутного трикутника дорівнює сумі квадратів катетів (теорема Піфагора). На основі накопиченого досвіду люди вважали, що простір, який нас оточує, мабуть, такий, що властивості предметів, які в ньому перебувають, точно такі самі, як і властивості фігур евклідової геометрії.
Довгий час уважали, що евклідова геометрія —єдина можлива. Хибність такої думки показав у 30-х роках минулого століття російський математик М. І. Лобачевський і незалежно від нього угорський учений Больяї, які створили нову геометрію, де сума внутрішніх кутів трикутника менша від 180°, а квадрат гіпотенузи в прямокутному трикутнику більший за суму квадратів катетів. Двома десятиліттями пізніше німецький математик Ріман створив геометрію, у якій сума внутрішніх кутів трикутника була більшою за 180°, а квадрат гіпотенузи в прямокутному трикутнику був меншим від суми квадратів катетів.
Що ж показує нам повсякденний досвід? Лише те, що в невеликих геометричних фігур, з якими ми можемо мати справу в земних умовах, властивості такі самі, які випливають з евклідової геометрії.
Якби вдалося виміряти внутрішні кути побудованого (у світовому просторі гігантського трикутника, то не виключено, що сума внутрішніх кутів виявилася б не 180°, а була б більшою або меншою за 180°. Такий дослід дав би змогу з'ясувати, чи відповідає насправді структура світового простору геометрії Лобачевського, Рімана чи все-таки геометрії Евкліда.
Який же простір за межами найближчих околиць Землі? Поки що ми залишимо це питання відкритим. Докладніше проблеми простору буде розглянуто в передостанній частині цієї книги. Тепер же розглянемо питання про час.
У буденному житті ми звикли, не замислюючись, уживати такі поняття, як «пізніше», «раніше» чи «одночасно». Досвід показує, що непорозумінь це не спричиняє, бо всі розуміють ці слова однаково. Якщо, наприклад, хтось із глядачів у театрі скаже, що на сцені одна балерина зробила рух пізніше за іншу, з цим погодиться кожен уважний глядач у залі. Але якщо солдат на спостережному пункті почує, що гармата праворуч вистрілила раніше, ніж ліворуч, то це ще нічого не каже про дійсний порядок пострілів. Можливо, що постріл, почутий пізніше, насправді було зроблено раніше. Звук поширюється в повітрі порівняно повільно, долаючи 1 км приблизно за 3 с. Якщо відомо, що гармата ліворуч розташована від спостережного пункту на 2 км далі, ніж гармата праворуч, то звук пострілу від першої гармати до спостерігача йде на 6 с довше. Хоча постріл праворуч пролунає на секунду раніше, ніж постріл ліворуч, уважному спостерігачеві буде ясно, що насправді гармата ліворуч вистрілила на 5 с раніше. Як же це питання має розв'язувати льотчик, що летить з великою швидкістю зліва направо (припустімо, що шум двигунів не заважає льотчикові чути постріли)? Особливо складною задача стає тоді, коли ми маємо справу із сучасним надзвуковим винищувачем (його швидкість перевищує швидкість звуку) — пострілу лівої гармати пілот узагалі не почує. Очевидно, що за звуком пострілу тут нічого вирішити не можна. Допомогло б візуальне спостереження: раніше вистрілила та гармата, спалах пострілу якої льотчик побачив раніше. Замість звукових хвиль звістку про постріл приносить тепер світловий промінь.
Якщо в земних умовах ми можемо цілком довіритися світловому променю, то під час оцінювання послідовності подій, що відбуваються в космічному просторі, слід виявити обережність.
Розглянемо, наприклад, спалахи так званих нових зір. Час від часу трапляється, що якась ледь помітна зіронька яскраво заблищить на небосхилі. Спалахнула «Нова» зоря. Цікаве явище триває недовго. Уже за кілька тижнів яскравість зорі починає зменшуватися, і невдовзі зоря знову стає малопомітною.
Про одну таку нову зорю, яка спалахнула 1054 р. в сузір'ї Тельця, згадується в китайському літописі. Там стверджується, що за своєю яскравістю зоря була порівнянна з Юпітером. Про іншу дуже яскраву нову, що спалахнула 1572 р. в сузір'ї Кассіопеї, розповідає Тіхо Браге.
На питання, який із космічних спалахів стався раніше — у сузір'ї Тельця чи в сузір'ї Кассіопеї, ми зможемо відповісти лише тоді, коли знатимемо відстані цих зір від Землі. Якщо, наприклад, нова в Кассіопеї більш ніж на 518 світлових років далі за нову в Тельці, то ясно, що спалах у Кассіопеї стався раніше, ніж у Тельці.
Розглянемо інший приклад. Галактика є гігантською зоряною системою, у якій усі зорі рухаються за певними законами. Рух зумовлюється взаємним притяганням зір. Наше Сонце теж є звичайною зорею в цій системі. Дивлячись ясної ночі на небо, ми спостерігаємо Галактику зсередини (Чумацький Шлях і всі зорі, які ми бачимо на небосхилі, входять до складу Галактики). Але що це за картина! Від зір з околиць Галактики світло йшло до нас близько 100 тис. років; отже, ці зорі ми бачимо на тих місцях, де вони були 100 тис. років тому. Найближчі зорі видно там, де вони були лише трохи більше ніж чотири роки тому. Картина, яку ми спостерігаємо на небі, ніби складена з миттєвих знімків, зроблених у найрізноманітніші часи. Але це, на жаль, єдина доступна нам картина Галактики. Як виглядає Галактика «у момент спостереження», ми ніколи не зможемо побачити безпосередньо.
Описані труднощі можна було б подолати, якби не виникали нові ускладнення. Яка, власне, швидкість світла? Якщо зоря наближається до нас, чи поширюватиметься тоді світло, яке вона випромінює, швидше, ніж тоді, коли зоря віддаляється від нас? Доки ці питання не розв'язано, ми нічого не зможемо сказати про часову послідовність подій, що відбуваються в космічному просторі.
Як бачимо, питання, пов'язані з часом, потребують уважного вивчення. Якщо стосовно земних подій поняття «раніше», «пізніше», «одночасно» досить точні, то в космічних масштабах виникають серйозні труднощі.
Властивості простору і властивості часу потребують глибокого, прискіпливого дослідження. Цим і займається теорія відносності.
Історія фізики показує, що найбільший внесок у розкриття властивостей простору і часу зробила теорія відносності, яка за своїм змістом є переважно теорією великих швидкостей.
Що ми знаємо про властивості простору? Ці властивості вивчає геометрія. У тому вигляді, як її вивчають у школах, геометрію розвинули головно ще давні греки за кілька століть до нашої ери. В Європі геометрія греків стала відомою завдяки творам Евкліда. Цю геометрію тому називають евклідовою.
Досвід повсякденного життя показує, що під час вимірювань у просторі ми завжди можемо користуватися теоремами евклідової геометрії. Протягом багатьох століть люди, вимірюючи, наприклад, трикутники, щоразу переконувалися, що сума внутрішніх кутів трикутника дорівнює 180°, а квадрат гіпотенузи прямокутного трикутника дорівнює сумі квадратів катетів (теорема Піфагора). На основі накопиченого досвіду люди вважали, що простір, який нас оточує, мабуть, такий, що властивості предметів, які в ньому перебувають, точно такі самі, як і властивості фігур евклідової геометрії.
Довгий час уважали, що евклідова геометрія —єдина можлива. Хибність такої думки показав у 30-х роках минулого століття російський математик М. І. Лобачевський і незалежно від нього угорський учений Больяї, які створили нову геометрію, де сума внутрішніх кутів трикутника менша від 180°, а квадрат гіпотенузи в прямокутному трикутнику більший за суму квадратів катетів. Двома десятиліттями пізніше німецький математик Ріман створив геометрію, у якій сума внутрішніх кутів трикутника була більшою за 180°, а квадрат гіпотенузи в прямокутному трикутнику був меншим від суми квадратів катетів.
Що ж показує нам повсякденний досвід? Лише те, що в невеликих геометричних фігур, з якими ми можемо мати справу в земних умовах, властивості такі самі, які випливають з евклідової геометрії.
Якби вдалося виміряти внутрішні кути побудованого (у світовому просторі гігантського трикутника, то не виключено, що сума внутрішніх кутів виявилася б не 180°, а була б більшою або меншою за 180°. Такий дослід дав би змогу з'ясувати, чи відповідає насправді структура світового простору геометрії Лобачевського, Рімана чи все-таки геометрії Евкліда.
Який же простір за межами найближчих околиць Землі? Поки що ми залишимо це питання відкритим. Докладніше проблеми простору буде розглянуто в передостанній частині цієї книги. Тепер же розглянемо питання про час.
У буденному житті ми звикли, не замислюючись, уживати такі поняття, як «пізніше», «раніше» чи «одночасно». Досвід показує, що непорозумінь це не спричиняє, бо всі розуміють ці слова однаково. Якщо, наприклад, хтось із глядачів у театрі скаже, що на сцені одна балерина зробила рух пізніше за іншу, з цим погодиться кожен уважний глядач у залі. Але якщо солдат на спостережному пункті почує, що гармата праворуч вистрілила раніше, ніж ліворуч, то це ще нічого не каже про дійсний порядок пострілів. Можливо, що постріл, почутий пізніше, насправді було зроблено раніше. Звук поширюється в повітрі порівняно повільно, долаючи 1 км приблизно за 3 с. Якщо відомо, що гармата ліворуч розташована від спостережного пункту на 2 км далі, ніж гармата праворуч, то звук пострілу від першої гармати до спостерігача йде на 6 с довше. Хоча постріл праворуч пролунає на секунду раніше, ніж постріл ліворуч, уважному спостерігачеві буде ясно, що насправді гармата ліворуч вистрілила на 5 с раніше. Як же це питання має розв'язувати льотчик, що летить з великою швидкістю зліва направо (припустімо, що шум двигунів не заважає льотчикові чути постріли)? Особливо складною задача стає тоді, коли ми маємо справу із сучасним надзвуковим винищувачем (його швидкість перевищує швидкість звуку) — пострілу лівої гармати пілот узагалі не почує. Очевидно, що за звуком пострілу тут нічого вирішити не можна. Допомогло б візуальне спостереження: раніше вистрілила та гармата, спалах пострілу якої льотчик побачив раніше. Замість звукових хвиль звістку про постріл приносить тепер світловий промінь.
Якщо в земних умовах ми можемо цілком довіритися світловому променю, то під час оцінювання послідовності подій, що відбуваються в космічному просторі, слід виявити обережність.
Розглянемо, наприклад, спалахи так званих нових зір. Час від часу трапляється, що якась ледь помітна зіронька яскраво заблищить на небосхилі. Спалахнула «Нова» зоря. Цікаве явище триває недовго. Уже за кілька тижнів яскравість зорі починає зменшуватися, і невдовзі зоря знову стає малопомітною.
Про одну таку нову зорю, яка спалахнула 1054 р. в сузір'ї Тельця, згадується в китайському літописі. Там стверджується, що за своєю яскравістю зоря була порівнянна з Юпітером. Про іншу дуже яскраву нову, що спалахнула 1572 р. в сузір'ї Кассіопеї, розповідає Тіхо Браге.
На питання, який із космічних спалахів стався раніше — у сузір'ї Тельця чи в сузір'ї Кассіопеї, ми зможемо відповісти лише тоді, коли знатимемо відстані цих зір від Землі. Якщо, наприклад, нова в Кассіопеї більш ніж на 518 світлових років далі за нову в Тельці, то ясно, що спалах у Кассіопеї стався раніше, ніж у Тельці.
Розглянемо інший приклад. Галактика є гігантською зоряною системою, у якій усі зорі рухаються за певними законами. Рух зумовлюється взаємним притяганням зір. Наше Сонце теж є звичайною зорею в цій системі. Дивлячись ясної ночі на небо, ми спостерігаємо Галактику зсередини (Чумацький Шлях і всі зорі, які ми бачимо на небосхилі, входять до складу Галактики). Але що це за картина! Від зір з околиць Галактики світло йшло до нас близько 100 тис. років; отже, ці зорі ми бачимо на тих місцях, де вони були 100 тис. років тому. Найближчі зорі видно там, де вони були лише трохи більше ніж чотири роки тому. Картина, яку ми спостерігаємо на небі, ніби складена з миттєвих знімків, зроблених у найрізноманітніші часи. Але це, на жаль, єдина доступна нам картина Галактики. Як виглядає Галактика «у момент спостереження», ми ніколи не зможемо побачити безпосередньо.
Описані труднощі можна було б подолати, якби не виникали нові ускладнення. Яка, власне, швидкість світла? Якщо зоря наближається до нас, чи поширюватиметься тоді світло, яке вона випромінює, швидше, ніж тоді, коли зоря віддаляється від нас? Доки ці питання не розв'язано, ми нічого не зможемо сказати про часову послідовність подій, що відбуваються в космічному просторі.
Як бачимо, питання, пов'язані з часом, потребують уважного вивчення. Якщо стосовно земних подій поняття «раніше», «пізніше», «одночасно» досить точні, то в космічних масштабах виникають серйозні труднощі.
Властивості простору і властивості часу потребують глибокого, прискіпливого дослідження. Цим і займається теорія відносності.