В. Березин - Есть ли жизнь внутри черных дыр?

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 невообразимой бесконечной скорости распространения сигналов, природа дала нам универсальную 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 сейчас обсудим.

Специальная теория относительности говорит о том, что время в движущейся относительно нас инерциальной системе отсчета течет медленнее по сравнению со временем в той инерциальной системе отсчета, где мы находимся и которую считаем неподвижной. И наоборот, с точки зрения наблюдателя в движущейся системе отсчета время в нашей системе течет медленнее. Этот наблюдатель считает, что покоится он, а движемся мы. На первый взгляд относительность времени выглядит странной, но никакого противоречия здесь нет. Каждый из наблюдателей в инерциальных системах отсчета будет видеть, что часы у других наблюдателей отстают. Эта симметрия будет сохраняться до тех пор, пока системы отсчета являются инерциальными, т.е., пока хотя бы один из наблюдателей не начнет ускоряться.

Хорошо известен парадокс близнецов. Один из братьев-близнецов остается на Земле, а второй садится в ракету и летит с большой скоростью. Где-то далеко ракета разворачивается, летит обратно и возвращается на Землю. Тот брат, который совершил путешествие, окажется моложе брата, остававшегося на Земле. Брат в ракете может оставаться еще ребенком, когда его близнец на Земле превратится в глубокого старика. Хотя эта ситуация и называется парадоксом, никаких логических противоречий в ней нет. Обычно задают вопрос, почему больше состарился именно брат на Земле, хотя движение относительно, и, казалось бы, не должно быть разницы, кого из братьев считать неподвижными? Дело в том, что система Земли с хорошей точностью инерциальная, к ней применима Специальная теория относительности. Тот брат, который летел в ракете, сначала ускорялся, а затем замедлялся при приближении к Земле. Поэтому близнецы находились в неравноправных условиях. Вот поэтому мы и подчеркивали важность инерциальных систем отсчета! И факт подобного замедления времени подтвержден во множестве экспериментов. Экспериментировали, правда, пока не с людьми, а с элементарными частицами и атомными часами.

Длина движущихся тел сокращается в направлении их движения. Например, движущийся круг с точки зрения неподвижного наблюдателя станет эллипсом, сплющенным в направлении движения. Для измерения длины движущегося стержня необходимо отметить положение его концов в один и тот же момент времени по часам в неподвижной системе отсчета. При этом наблюдатель, движущийся вместе со стержнем, будет утверждать, что по его часам отметки были сделаны не одновременно. И противоречия здесь опять-таки нет, потому что одновременность – понятие относительное. Для одного наблюдателя два события одновременные, а для другого наблюдателя те же самые события не одновременные.

Луч фонарика бежит по Луне со сверхсветовой скоростью

Скорость света является максимально возможной для скорости движения материальных тел и для скорости передачи сигналов. Ничто материальное не может обогнать свет. Если двигатели в ракете работают на полную мощность, скорость ракеты будет становиться все ближе и ближе к скорости света, но никогда ее не достигнет. Ракета всегда будет чуть-чуть отставать от света.

Но это не значит, что вообще не существует скоростей, больших скорости света. Например, если посветить фонариком на Луну, быстро смещая руку, то свет фонарика пробежит по поверхности Луны со скоростью, большей, чем скорость света. Противоречия со сказанным выше здесь нет, потому что граница светового пятна – это не материальное тело. Наблюдатель на одной стороне лунного диска не сможет передать сверхсветовое сообщение наблюдателю на другой стороне диска с помощью земного фонарика, т.к. он сначала должен передать нам на Землю указание о том, что мы должны делать с лучом фонарика, а это сообщение будет двигаться со скоростью света, и в итоге скорость передачи сообщений с одного края Луны на другой не превысит скорости света.

Читать дальше