Що називається релятивістським уповільненням часу? Що це — час у фізиці

Спеціальна теорія відносності, опублікована в 1905 році Ейнштейном і стала важливим узагальненням ряду більш ранніх гіпотез, є однією з найбільш резонансних і обговорюваних у фізиці.

Дійсно, складно уявити, що при русі об’єкта з навколосвітньою швидкістю фізичні процеси починають протікати для нього абсолютно незвичайним чином: скорочується його довжина, збільшується маса, а час сповільнюється. Відразу після публікації почалися спроби дискредитації теорії, які тривають і сьогодні, хоча пройшло вже більше ста років. Це й не дивно, адже питання про те, що таке час, здавна хвилювало людство і привертало загальну увагу.

Що таке релятивізм

Суть релятивістської механіки (вона ж — спеціальна теорія відносності, далі — СТО) і її відмінність від класичної яскраво виражається прямим перекладом її назви: латинське relativus означає «відносний». У рамках СТО постулюється неминучість уповільнення часу для об’єкта при його русі щодо спостерігача.

Відмінність даної теорії, запропонованої Альбертом Ейнштейном, від ньютонівської механіки і полягає в тому, що всі процеси можна розглядати тільки щодо один одного або деякого стороннього спостерігача. Перш ніж описати, в чому полягає релятивістське уповільнення часу, необхідно дещо заглибитися в питання становлення теорії і визначити, чому її формулювання взагалі стало можливим і навіть обов’язковим.

Витоки теорії відносності

До кінця XIX століття вчені дійшли розуміння, що деякі експериментальні дані не вписуються в картину світу, засновану на базі класичної механіки.

Фундаментальними суперечностями закінчувалися спроби поєднати механіку Ньютона з рівняннями Максвелла, що описують рух електромагнітних хвиль у вакуумі і суцільних середовищах. Вже було відомо, що світло — це саме така хвиля, і воно має розглядатися в рамках електродинаміки, але сперечатися з наочною і, головне, перевіреною часом механікою було вкрай проблематично.

Протиріччя, однак, було очевидне. Припустимо, що перед рухомим поїздом закріплений ліхтар, який світить вперед. Згідно з Ньютоном, швидкості поїзда і світла, що виходить з ліхтаря, повинні складатися. Рівняння ж Максвелла в цій гіпотетичній ситуації просто «ламалися». Назрівала необхідність абсолютно нового підходу.

Спеціальна теорія відносності

Вважати, що Ейнштейн придумав теорію відносності, було б некоректно. Насправді він звертався до робіт і гіпотезів вчених, які працювали до нього. Однак автор підійшов до питання з іншого боку і замість механіки Ньютона визнав «апріорі вірними» рівняння Максвелла.

Крім знаменитого принципу відносності (по суті, сформульованого ще Галілеєм, правда, в рамках класичної механіки), такий підхід привів Ейнштейна до цікавого твердження: швидкість світла є постійною у всіх системах відліку. І саме цей висновок дозволяє нам говорити про можливість зміни стандартів часу при русі об’єкта.

Постійність світла

Здавалося б, твердження «швидкість світла є постійною» не є дивним. Але спробуйте уявити: ви стоїте нерухомо і дивіться, як світло віддаляється від вас з фіксованою швидкістю. Ви летите слідом за променем, але він продовжує від вас віддалятися рівно з тією ж швидкістю. Більш того, розвернувшись і полетівши в протилежний від променя бік, ви ніяк не зміните швидкість вашого видалення один від одного!

Як таке можливо? Тут починається розмова про релятивістський ефект уповільнення часу. Цікаво? Тоді читаємо далі!

Релятивістське уповільнення часу по Ейнштейну

Коли швидкість об’єкта наближається до швидкості світла, внутрішній час об’єкта, згідно з розрахунками, сповільнюється. Якщо ж припустити, що паралельно сонячному променю з аналогічною швидкістю рухається людина, час для неї перестане йти зовсім. Існує формула релятивістського уповільнення часу, що відображає його взаємозв’язок зі швидкістю об’єкта.

Однак при вивченні даного питання слід пам’ятати, що жодне тіло, що володіє масою, не може навіть теоретично досягти швидкості світла.

Парадокси, пов’язані з теорією

Спеціальна теорія відносності є науковою працею і непроста для розуміння. Однак інтерес громадськості до питання про те, що такий час, регулярно породжує ідеї, що на побутовому рівні здаються нерозв’язними парадоксами. Наприклад, наступний приклад ставить у глухий кут більшість людей, які знайомляться з СТО без будь-яких знань у галузі фізики.

Існує два літаки, один з яких летить прямо, а другий злітає і, описавши дугу зі швидкістю, близькою до швидкості світла, наздоганяє перший. Передбачувано виявляється, що час для другого апарату (який летів з навколосвітньою швидкістю) протікав повільніше, ніж для першого. Однак, відповідно до постулату СТО, системи відліку для обох літаків рівноправні. А значить, час може протікати повільніше як для одного, так і для іншого апарату. Здавалося б, це глухий кут. Але…

Роздільна здатність парадоксів

Насправді джерелом такого роду парадоксів служить нерозуміння механізму роботи теорії. Вирішувати згадане протиріччя можна, використовуючи відомий умоглядний експеримент.

У нас є сарай з двома дверима, що утворюють наскрізний прохід, і степь, довжина якого дещо більше довжини сараю. Якщо ми протягнемо від дверей до дверей, вони не зможуть закритися або ж просто зламають наш погляд. Якщо ж стяг, влітаючи в сарай, буде володіти швидкістю, близькою до швидкості світла, його довжина зменшиться (нагадаємо: у об’єкта, що рухається зі швидкістю світла, довжина буде нульовою), і в момент його перебування всередині сараю ми зможемо закрити і відкрити двері, не зламавши наш реквізит.

З іншого боку, як і в прикладі з літаком, відносно жердини повинен зменшуватися саме сарай. Парадокс повторюється, і, здавалося б, виходу немає — обидва об’єкти синхронно скорочуються в довжину. Однак згадаймо, що все відносно, і вирішимо завдання за допомогою зміни часу.

Відносність одночасності

Коли передній край жердини буде знаходитися всередині, перед передніми дверима, ми можемо її закрити і відкрити, а в той момент, коли він влетить в сарай повністю, проробимо те ж саме з задніми дверима. Здавалося б, ми це робимо не одночасно, і експеримент не вдався, але тут і з’ясовується головне: відповідно до спеціальної теорії відносності, моменти закриття обох дверей розташовуються в одній точці на осі часу.

Це відбувається з тієї причини, що події, що відбуваються одночасно в одній системі відліку, не будуть одночасні в іншій. Релятивістське уповільнення часу проявляється у взаєминах об’єктів, і ми повертаємося до абсолютно побутового узагальнення теорії Ейнштейна: все відносно.

Є ще одна деталь: рівноправність систем відліку актуальна в СТО, коли обидва об’єкти рухаються рівномірно і прямолінійно. Як тільки одне з тіл переходить до прискорення або уповільнення, його система відліку стає єдино можливою.

Парадокс близнюків

Найвідомішим парадоксом, що пояснює релятивістське уповільнення часу «по-простому», є мислений експеримент з двома братами-близнюками. Один з них відлітає на космічному кораблі зі швидкістю, близькою до світлової, а інший залишається на землі. Повернувшись, брат-космонавт виявляє, що сам він постарів на 10 років, а його брат, який залишився вдома — на цілих 20.

Загальна картина вже повинна бути зрозуміла читачеві з попередніх пояснень: для брата на космічному кораблі час сповільнюється, оскільки його швидкість близька до швидкості світла; систему відліку щодо брата-на-землі прийняти ми не можемо, оскільки вона виявиться неінерційною (перевантаження відчуває тільки один брат).

Відзначити ж хочеться інше: до якого б градуса в суперечці не доходили опоненти, факт залишається фактом: час в абсолютному його значенні залишається постійним. Скільки б років брат не літав на космічному кораблі, старіти він продовжить рівно з тією швидкістю, з якою йде час в його системі відліку, і другий брат буде старіти рівно з тією ж швидкістю — різниця виявиться тільки при їх зустрічі, і ні в якому іншому випадку.

Гравітаційне уповільнення часу

Насамкінець слід зазначити, що існує другий вид уповільнення часу, пов’язаний вже із загальною теорією відносності.

Ще в XVIII столітті Мітчеллом було передбачене існування ефекту червоного зміщення, що полягає в тому, що при переміщенні об’єкта між областями з сильною і слабкою гравітацією час для нього буде змінюватися. Незважаючи на спроби вивчення питання Лапласом і Зольднером, повноцінну роботу з даної теми представив тільки Ейнштейн в 1911 році.

Цей ефект не менш цікавий, ніж релятивістське уповільнення часу, але він вимагає окремого вивчення. І це, як кажуть, вже зовсім інша історія.