Теория относительности для миллионов
Шрифт:
Вне сферы действия специальной теории относительности, имеющей дело только с инерцнальными системами, все же можно говорить о скорости света как о некоем абсолютном пределе. Однако теперь это следует выразить по-иному: нет такого способа, который позволил бы отправить сигнал от одного материального тела к другому со скоростью, превышающей световую. Понятие «сигнал» используется здесь в широком смысле этого слова. Оно включает в себя любой тип причинно-следственной связи, позволяющей переслать какое-либо сообщение: посылка физического объекта, например, или передача любого типа энергии, такой, как энергия звуковых волн, электромагнитных волн, ударных волн в твердом теле и так далее. Нельзя отправить сообщение на Марс со скоростью,
Хотя сигналы не могут быть посланы со скоростью, превышающей скорость света, но можно наблюдать определенные типы движений, которые будут иметь по отношению к наблюдателю скорости больше световой. Представьте себе гигантские ножницы, лезвия которых таковы, что достигают планеты Нептун. Ножницы начинают закрывать с постоянной скоростью. По мере того как это происходит, точка, в которой пересекаются режущие края лезвий, будет двигаться к концам ножниц со все возрастающей скоростью. Представьте, что вы сидите на неподвижном стержне, скрепляющем оба лезвия. По отношению к вашей инерциальной системе отсчета эта точка пересечения лезвий скоро будет удаляться от вас со скоростью, большей скорости света. Конечно, здесь происходит движение не материального тела, а геометрической точки.
Возможно, вам придет в голову такая мысль: предположим, что кольца ножниц находятся на Земле, а точка пересечения лезвий — на Нептуне.
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
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 = mc 2
где е— энергия; m— масса; с 2— 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.
< image l:href="#" />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.