Читать книгу Есть ли жизнь внутри черных дыр? - В. А. Березин - Страница 5

Сначала в 1905г. А. Эйнштейн создал Специальную теорию относительности, которая не затрагивала гравитацию. А через 10 лет в 1915 г. он сформулировал в окончательном виде теорию гравитационного поля, которая называется Общей теорией относительности. Эти теории заслуживают того, чтобы их названия писались с большой буквы (хотя обычно пишут с малой). Расскажем сначала о Специальной теории относительности.

Эйнштейн выбрал в качестве исходных постулатов два утверждения, несовместимых в ньютоновской физике: (1) принцип относительности, гласящий, что в инерциальных системах отсчета все законы природы записываются одинаково; (2) скорость света в таких системах тоже одинакова.

Самое главное, о чем говорит Специальная теория относительности, это относительность одновременности и относительность интервалов времени. Время течет по – разному для движущихся друг относительно друга наблюдателей. Если для одного из них два каких – то события происходят одновременно, то для второго они не одновременные. Одно событие случается раньше, а второе позже. Конечно, чтобы различие по времени было заметно, движение должно происходить с достаточно большой скоростью, сравнимой со скоростью света. В случае привычных нам скоростей, с которыми движутся автомобили, самолеты и даже спутники Земли, эти эффекты замедления времени очень малы, и их можно заметить только с помощью точнейших приборов. На обычных часах разницу мы не сможем увидеть. А вот для космических путешествий далекого будущего эти эффекты замедления времени могут стать большими и принципиально важными.

Итак, давайте запомним, что нет универсального времени, время может течь по – разному. Движение наблюдателя изменяет скорость хода его часов с точки зрения другого наблюдателя. Эти утверждения проверены на опыте тысячи раз и совершенно достоверны.

До создания теории относительности люди были убеждены, основываясь на своем жизненном опыте, что можно выбрать единое глобальное время, которое течет везде равномерно, и которое одинаково для всех движущихся тел. Также предполагалось, что пространство задано – оно выглядит одинаково для всех и обладает евклидовой геометрией. В обычных земных масштабах при не очень больших скоростях это вполне разумные предположения. Но при высоких скоростях и в сильных гравитационных полях они становятся неточными.

Движение тел происходит в пространстве и во времени. Чтобы количественно описать форму тел и их движение, необходимо каким – то способом произвести измерения расстояний и длительностей. Для этого нужны линейки и часы. Для единообразия выбираются определенные единицы времени и длины, такие, как секунда и метр. А от этих основных единиц производятся более мелкие или более крупные, к примеру, час и километр. Мысленно можно представить, что часы и линейка есть в каждом месте. Вся эта воображаемая совокупность линеек и часов, движущаяся определенным образом, называется системой отсчета. Если взять другой набор часов и линеек, движущихся иначе, то мы получим другую систему отсчета. Например, пассажиры движущегося поезда находятся в одной системе отсчета, а люди, стоящие на перроне, – в другой.

В Специальной теории относительности особую роль играют системы отсчета, называемые инерциальными. Это такие системы, в которых тело будет двигаться равномерно и прямолинейно, если на него не действуют внешние силы. То есть, то же самое, что и в ньютоновской теории. Тело, на которое ничто не воздействует, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Космический корабль можно с хорошей точностью считать инерциальной системой отсчета, когда он летит с выключенными двигателями в далеком космосе. Принцип относительности утверждает, что все инерциальные системы отсчета равноправны. Это означает, прежде всего, что физические законы должны записываться одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

А. Эйнштейн сначала интуитивно осознал относительность времени, а затем получил это свойство времени из двух сформулированных им постулатов – исходных предположений теории. Первый постулат Специальной теории относительности – это только что обсуждавшийся нами принцип относительности. Он гласит, что физические законы, которым подчиняются явления во всех инерциальных системах отсчета, одинаковы. А второй постулат Специальной теории относительности утверждает, что скорость света во всех системах отсчета одна и та же. Поразительно, но вместо умозрительной, но совершенно невообразимой бесконечной скорости распространения сигнала, сама Природа дала нам абсолютную = универсальную = инвариантную скорость. Скорость света.

Важно еще договориться о том, как измерять время. Какая польза от часов, если все часы показывают разное время? Люди не смогут согласовать, к примеру, время встречи. Эйнштейн предложил очень простой рецепт синхронизации часов, находящихся вдали друг от друга. Пусть в инерциальной системе отсчета в разных точках покоятся двое одинаковых часов. Необходимо из первой точки послать луч света во вторую и принять отраженный свет. Если, например, в момент испускания луча первые часы показывают час дня, а в момент приема отраженного сигнала они показывают три часа дня, то время вторых часов в момент отражения нужно установить точно посредине – на двух часах дня.

Вот и все. Два простых постулата и методика синхронизации часов. Этого достаточно для формулировки Специальной теории относительности. Отсюда путем логических рассуждений можно получить множество важных следствий, которые мы обсудим в следующем разделе.