Теория относительности для миллионов - Мартин Гарднер

Помимо кажущихся изменений длины имеются также кажущиеся изменения времени. Космонавты на каждом из кораблей найдут, что часы на другом корабле идут медленнее. Простой мысленный эксперимент показывает, что это действительно так. Представьте себе, что вы смотрите через бортовое отверстие одного корабля в отверстие другого корабля. Оба корабля пролетают один мимо другого с постоянной скоростью, близкой к скорости света. В момент, когда они проходят рядом, на том корабле посылают луч света от потолка к полу. Там он падает на зеркало и отражается обратно к потолку. Вы же увидите путь этого луча в виде буквы V. Если бы у вас были достаточно точные приборы (конечно, такие приборы сейчас не существуют), вы могли бы засечь время, которое требуется лучу, чтобы пройти этот V-образный путь. Разделив длину на время, вы получили бы скорость света.

Теперь предположим, что, когда вы засекаете время прохождения лучом его V-образного пути, космонавт внутри другого корабля делает то же самое. С его точки зрения, его корабль является неподвижной системой отсчета и свет просто идет вниз и вверх вдоль одной и той же прямой, проходя, очевидно, более короткое расстояние, чем вдоль V-образного пути, который наблюдаете вы. Когда он разделит это расстояние на время, которое требуется лучу, чтобы пройти вниз и вверх, он тоже получит скорость светя. Так как скорость света постоянна для всех наблюдателей, он должен получить в точности тот же самый результат, что получили вы: 300 000 км/сек. Но у него путь, пройденный светом, короче. Как может его результат быть тем же самым? Имеется только одно объяснение: его часы идут медленнее. Разумеется, эта ситуация совершенно симметрична. Если вы пошлете луч вниз и вверх внутри вашего корабля, то космонавт будет видеть его путь V-образным. Он придет к заключению, что ваши часы отстают.

Тот факт, что эти, сбивающие с толку, изменения длины и времени названы «кажущимися», не означает, что имеется «истинная» длина или время, которые разным наблюдателям просто «кажутся» разными. Длина и время являются относительными понятиями. Они не имеют смысла вне связи объекта с наблюдателем. Вопрос не стоит так, что одна система измерений «истинна», а другая система «ложна». Каждая система истинна относительно наблюдателя, производящего измерения: относительно его собственной системы отсчета. Нельзя считать одно измерение более правильным, чем другое. При этом все это отнюдь не оптические иллюзии, которые должны быть объяснены психологом.

Измерения могут быть записаны приборами. Они не требуют присутствия живого наблюдателя.

Масса также является относительным понятием, но мы должны отложить этот и другие вопросы до следующей главы.

4. Специальная теория относительности. Часть II

Длина и время, как было показано в предыдущей главе, являются относительными понятиями.

Если один космический корабль пролетает мимо другого с постоянной скоростью, то наблюдатели на каждом из кораблей найдут, что космонавты на другом корабле похудели и передвигаются медленнее. Если их относительная скорость достаточно велика, то движения их коллег будут напоминать движения актеров в замедленной кинокартине. Все явления с периодическим движением будут казаться замедленными: движение маятника и балансира в часах, пульсация сердца, колебание атомов и т. д.

По словам Артура Стэнли Эддингтона, выдающегося английского астронома, который стал одним из самых первых и наиболее ревностных последователей Эйнштейна, будет казаться, что даже сигары на другом корабле тлеют дольше. Космонавт ростом в два метра, стоящий в горизонтально движущемся корабле, по-прежнему будет выглядеть двухметровым, но его тело будет казаться тоньше в направлении движения. Когда же он ляжет, вытянувшись в направлении движения корабля, восстановится нормальная ширина его тела, но теперь будет казаться, что его рост уменьшился в направлении от головы до пят.

Если бы два космических корабля действительно смогли двигаться один относительно другого со скоростью, достаточно большой, чтобы сделать подобные изменения существенными, то всевозможные трудности технического характера не позволили бы наблюдателям на каждом корабле увидеть эти изменения. Писатели любят пояснять теорию относительности упрощенными эффектными примерами. Эти цветистые иллюстрации не описывают изменений, которые действительно можно было бы наблюдать либо человеческим глазом, либо с помощью любых приборов, известных в настоящее время. О существовании этих изменений космонавты смогли бы в принципе узнать на основе измерений, если бы были достаточно хорошие измерительные приборы.

В дополнение к изменениям длины и времени имеется также релятивистское изменение массы.

Масса, грубо говоря, — это мера количества вещества в теле.

Свинцовый и пробковый шары могут иметь одинаковые размеры, но свинцовый шар более массивен. Концентрация вещества в нем выше.

Существует два способа измерения массы тела: либо взвешиванием, либо по тому, насколько велика сила, необходимая, чтобы сообщить этому телу определенное ускорение. Первый метод не очень хорош, поскольку получаемые результаты зависят от силы тяжести в данном месте. Свинцовый шар, поднятый на вершину высокой горы, будет весить несколько меньше, чем у ее подножия, хотя его масса останется в точности той же самой. На Луне его вес был бы значительно меньше, чем на Земле. На Юпитере же его вес оказался бы значительно больше.

Второй метод измерения массы дает одинаковые результаты независимо от того, проводились они на Земле, на Луне или на Юпитере; однако при использовании этого метода сразу же возникают курьезные вопросы. Чтобы определить этим методом массу движущегося тела, нужно измерить силу, которая необходима для сообщения ему определенного ускорения. Ясно, что для того, чтобы заставить катиться пушечное ядро, необходим более сильный толчок, чем для пробкового шара. Масса, измеренная таким методом, называется инертной массой в отличие от гравитационной массы или веса. Подобные измерения не могут быть выполнены без измерений времени и расстояний. Инертная масса пушечного ядра, например, выражается через величину силы, необходимой для увеличения его скорости (расстояние в единицу времени) на столько-то в единицу времени. Как мы видели ранее, измерения времени и расстояний меняются с изменением относительной скорости тела и наблюдателя. Как следствие этого меняются также результаты измерений инертной массы.

В гл. 6 мы вернемся к понятию гравитационной массы и ее связи с инертной массой. Здесь же пойдет речь только об инертной массе, полученной в результате измерений, выполняемых каким-либо наблюдателем. Для наблюдателей, покоящихся относительно предмета, например для космонавтов, везущих в космическом корабле слона, инертная масса предмета остается одной и той же независимо от скорости корабля. Масса слона, измеряемая подобными наблюдателями, называется его собственной массой или массой покоя. Инертная масса того же самого слона, измеренная каким-либо наблюдателем, движущимся относительно этого слона (например, наблюдателем на Земле), называется релятивистской массой слона. Масса покоя тела никогда не меняется, а релятивистская масса изменяется. Оба измерения являются измерениями инертной массы.

В этой главе будет идти речь только об инертной массе; когда употребляется слово «масса», его следует понимать именно в этом смысле.

Все три переменные — длина, время, масса—охватываются одним и тем же выражением для лоренцовского сокращения

Длина и скорость хода часов меняются по одному и тому же закону, так что формула для этих величин одна и та же.

В то же время масса и длина временных интервалов меняются по обратным законам, а это означает, что формулу здесь следует написать так:

Масса любого тела, измеренная наблюдателем, движущимся равномерно относительно этого тела, получается умножением массы покоя тела на приведенное выше выражение (где v — относительная скорость объекта; с — скорость света).

Например, если относительная скорость двух космических кораблей составляет 260 000 км/сек, наблюдатели на каждом из кораблей будут считать, что другой корабль вполовину короче, часы на нем идут в два раза медленнее, продолжительность часа в два раза длиннее и масса корабля в два раза больше. Конечно, эти космонавты на своем собственном корабле найдут все совершенно нормальным. Если бы эти корабли смогли достичь относительной скорости, равной скорости света, наблюдатели на каждом из кораблей считали бы, что другой корабль сократил свою длину до нуля, приобрел бесконечную массу в что время на другом корабле замедлилось до полной остановки!