Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

Если вы слегка закрываете ножницы, а затем открываете, повторяя это многократно, то точка пересечения будет ходить вперед — назад. Нельзя ли теперь передать сигналы на Нептун почти мгновенно? Нельзя, поскольку импульс, приводящий в движение лезвия, должен передаваться от молекулы к молекуле, а скорость этого процесса должна быть меньше световой. В общей теории относительности нет абсолютно жестких тел. Иначе вы могли бы просто взять жесткий стержень протяженностью от Земли до Нептуна и передавать сообщения мгновенно, приводя в движение один конец. Не существует способа, который позволил бы использовать гигантские ножницы или любой другой тип так называемых абсолютно твердых объектов для передачи сигнала со скоростью больше скорости света.

Если направить луч прожектора на экран, который достаточно велик и достаточно далеко расположен, то можно, поворачивая прожектор, сделать так, что пятно на экране будет двигаться по нему быстрее света. Здесь опять никакой материальный объект не движется, движение на самом деле является иллюзией. Если прожектор направить в пространство и начать его вращать, то удаленные части луча будут нестись в пространстве со скоростью много больше скорости света. В гл. 5 будет показано, что можно считать Землю невращающейся системой отсчета. С этой точки зрения скорости вращения звезд вокруг Земли будут много больше скорости света. Как отметил один астроном, звезда, удаленная всего лишь на 10 световых лет, имеет круговую скорость относительно Земли, в двадцать тысяч раз превышающую скорость света. При этом геометрическом способе преодоления светового барьера даже нет необходимости следить за звездами.

Вращая волчок, ребенок может сообщить Луне круговую скорость (по отношению к системе координат, связанной с волчком), которая много больше 300 000 км/сек.

В гл. 10 говорится о том, что в соответствии с одной популярной теорией о Вселенной далекие галактики могут удаляться от Земли со скоростью, превышающей скорость света. Ни один из этих примеров не противоречит утверждению, что скорость света является барьером при посылке сигналов от одного материального тела к другому.

Важным следствием специальной теории относительности, которого мы кратко коснемся, является то, что при определенных условиях энергия переходит в массу, а при некоторых других условиях масса переходит в энергию. Физики раньше считали, что полное количество массы во Вселенной никогда не изменяется и что никогда не меняется полное количество энергии. Это выражалось законами «сохранения массы» и «сохранения энергии». Теперь оба эти закона объединены в один простой закон «сохранения массы — энергии».

Когда ракетные двигатели ускоряют космический корабль, часть энергии идет на увеличение релятивистской массы корабля. Когда энергия сообщается кофейнику путем нагревания (при этом ускоряются его молекулы), содержимое кофейника действительно весит немного больше, чем прежде.

Когда кофейник остывает, его масса уменьшается.

Заводя часы, мы сообщаем им энергию, и они в то же время приобретают дополнительно небольшое количество массы. Когда завод кончается, часы теряют эту массу. Эти увеличения и уменьшения маcсы так бесконечно малы, что они никогда не учитываются в обычных физических расчетах. Однако это превращение массы в энергию совсем не ничтожно, когда взрывается водородная бомба!

Взрыв бомбы — это мгновенное превращение в энергию части массы материала бомбы. Энергия, излучаемая Солнцем, имеет подобное происхождение. Вследствие огромной силы тяжести на Солнце газообразный водород внутри него находится под столь большим давлением и нагревается до столь высокой температуры, что атомы водорода сливаются, превращаясь в гелий. В этом процессе некоторое количество массы превращается в энергию.

Формула, выражающая соотношение между массой и энергией, как это известно теперь каждому, такова:

e = mc2

где е — энергия; m — масса; с2 — квадрат скорости света. Эйнштейн получил это выражение из своей специальной теории относительности. Из этой формулы видно, что чрезвычайно малое количество массы способно освободить чудовищное количество энергии. Жизнь на Земле не существовала бы без солнечной энергии, так что в известном смысле жизнь зависит от этой формулы.

Может оказаться, что конец жизни не Земле также будет связан с этой формулой. Не будет преувеличением сказать, что научиться справляться с ужасным фактом, выражаемым этой простой формулой, — самая важная проблема из тех, которые когда-либо стояли перед человечеством.

Однако бомба — это только один наиболее впечатляющий факт из многих фактов, подтверждающих специальную теорию относительности. Экспериментальные доказательства начали накапливаться, едва только высохли чернила на статье Эйнштейна, написанной в 1905 г., и сейчас это одна из наиболее хорошо подтвержденных теорий современной физики. Она каждый день подтверждается в лабораториях учеными-атомниками, работающими с частицами, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света. Чем быстрее движутся подобные частицы, тем большая сила необходима, чтобы увеличить их скорость на заданную величину; иными словами, тем больше их релятивистская масса. Именно по этой причине физики продолжают строить все большие и большие машины для ускорения частиц.

Нужны все более сильные поля, чтобы преодолеть массу частиц, растущую по мере того, как их скорость становится ближе и ближе к скорости света.

Электроны теперь могут быть ускорены до скорости в 0,999999999 скорости света. При этом каждый электрон приобретает массу (относительно инерциальной системы отсчета Земли), которая примерно в сорок тысяч раз больше его массы покоя!

Когда какая-либо частица сталкивается со своей античастицей (частицей, имеющей точно такую же структуру, но противоположный электрический заряд), происходит полная и взаимная иу аннигиляция.

Вся масса обеих частиц целиком превращается в энергию излучения. В лаборатории этот процесс пока проводится только с отдельными частицами. Если физикам когда-либо удастся создать антивещество (вещество, построенное из античастиц), то они смогут достичь предела в использовании атомной энергии. Очень небольшое количество антивещества на космическом корабле, поддерживаемое магнитными полями во взвешенном состоянии, можно соединять понемногу с веществом, что обеспечит корабль движущей силой, достаточной, чтобы нести его к звездам.

Специальная теория относительности настолько полно подтверждена экспериментом, что теперь было бы трудно найти физика, который сомневается в правильности этой теории.

Равномерное движение относительно. Но прежде чем можно будет сказать, что всякое движение относительно, нужно преодолеть последнее препятствие: это препятствие — инерция. Что это именно за препятствие и как Эйнштейн преодолел его, описано в гл. 5.

5. Общая теория относительности

В начале гл. 2 мы указывали, что есть два пути обнаружить абсолютное движение: измерять движение по отношению к пучку света и использовать явление инерции, возникающее при ускорении предмета. Опыт Майкельсона — Морли показал, что первый путь непригоден. И специальная теория относительности Эйнштейна объяснила причину этого.

В этой главе мы возвращаемся ко второму методу: использованию явлений инерции как ключа к абсолютному движению.

Когда ускоряется космический корабль, космонавт внутри корабля гигантской силой прижимается к спинке своего кресла. Это обычное явление инерции, вызванное ускорением ракеты. Доказывает ли это явление, что ракета движется? Для доказательства относительности всех движений, включая и ускоренное движение, необходимо, чтобы и ракету можно было принять за неподвижную систему отсчета. В этом случае Земля и все космическое пространство должны будут казаться движущимися назад, прочь от ракеты. Но, посмотрев на создавшееся положение с этой точки зрения, можно ли объяснить силы, действующие на космонавта? Сила, которая прижимает его к креслу, показывает, без всякого сомнения, что движется ракета, а не космос.

Другой подходящий пример представляет вращающаяся Земля. Центробежная сила, инерционное явление, сопровождающее вращение, вызывает растяжение земного экватора, так что Земля сплющивается. Если всякое движение относительно, то нельзя ли принять Землю за неподвижную систему отсчета и считать космос вращающимся вокруг нее? Конечно, это можно вообразить, но что же тогда растягивает земной экватор? Это растяжение показывает, что вращается сама Земля, а не Вселенная. Кстати, астрономы не договорились еще, растягивают центробежные силы и сейчас экватор Земли или растяжение возникло в прошедшие геологические эпохи, когда вещество Земли было более пластичным, а теперь стало характерной чертой твердой Земли, чертой, которая сохранится, даже если прекратится вращение Земли. Все согласны, однако, что центробежная сила ответственна за это растяжение.