logo Книжные новинки и не только

«Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная ее создателями» Джон фон Нейман, Энрико Ферми, Нильс Бор читать онлайн - страница 10

Если вам понравилась книга, вы можете купить ее электронную версию на litres.ru

В-третьих, можно было бы сказать: «Относительность существует, и Максвелл прав, но уравнения Галилея не описывают преобразования относительности». Никто этого не сделал, пока положение не стало действительно отчаянным.

А положение стало отчаянным после проведения эксперимента Майкельсона — Морли. Готовясь к этим лекциям, я просмотрел записи лекций Эйнштейна, которое он читал в Принстоне в 1921 году. Говоря об эксперименте Майкельсона — Морли, он сказал, что считает результаты эксперимента известными его слушателям. Я подумал, что мне не следует поступать точно так же, как он, поскольку этот опыт был сделан довольно давно. Майкельсон измерил время, которое потребовалось свету, чтобы пройти небольшой путь туда и обратно в лаборатории. При этом он хотел проверить, будет ли получен один и тот же результат, если свет идет параллельно направлению движения Земли вокруг Солнца и перпендикулярно к нему. Ожидаемая разница должна быть чрезвычайно незначительной, и нужна была большая виртуозность, чтобы обнаружить ее.

Майкельсон проделал указанный эксперимент, повторил его снова и снова. Приборы Майкельсона обладали достаточно высокой чувствительностью, чтобы измерить скорость движения Земли относительно эфира (если он существует), регистрируя изменение скорости света в зависимости от того, движется ли Земля в том или ином направлении по отношению к эфиру — среде, где сконцентрировано электромагнитное поле, — или вообще неподвижна по отношению к нему. Он получил нулевой результат. Это было столь неожиданным, что эксперимент повторялся на протяжении десятилетий со множеством усовершенствований и во многих вариантах. Надо ли говорить о травмирующем характере ответа!

Таким образом, нельзя полагать, что скорость света зависит от скорости его источника. Нельзя сомневаться в правильности уравнений Максвелла во всех координатных системах. Нельзя также сомневаться в том, что преобразование Галилея не является точным описанием, это лишь приближённое описание того, что происходит, когда наблюдаемая система находится в состоянии равномерного движения по отношению к нам.

Три человека нашли решение, но только один из них сразу же осознал весь его смысл. Этим человеком был Эйнштейн.

Эйнштейн сказал: «Постараемся понять ситуацию, обусловленную тем, что мы не можем поддерживать связь со скоростью, превышающей скорость светового сигнала». Исходя из обычных эталонов, это довольно большая скорость (3 × 10 см/сек). В нормальных условиях мы не заметим никакого ограничения. Наши велосипеды никуда от нас не убегут. Но эта скорость — конечная, что вносит большое изменение в концепцию.

При отсутствии мгновенной связи и при необходимости сравнить информацию в двух различных пунктах следует принимать во внимание время, необходимое для того, чтобы сообщение пришло из одного пункта в другой и обратно. Например, пусть требуется синхронизировать двое часов, находящихся на большом расстоянии друг от друга. (Часы должны быть однотипными, желательно, чтобы они были «естественными», например «атомными», так как это гарантирует их идентичность.) Естественно было бы установить одни часы на среднее время между временем выхода сигнала с противоположного пункта и временем его получения после отражения. Понятие одновременности, которое интуитивно представляется чем-то таким, что не должно зависеть от какого-либо движения, вполне достоверно, когда предметы находятся в одной и той же точке пространства. Но это понятие перестает быть достоверным, если указанные предметы разделены большими расстояниями и если речь идет об относительных движениях со скоростями, приближающимися к скорости света.

Отсюда вытекает, что если действительно нельзя посылать сигналы со скоростью, превышающей скорость света, и если представление о такой возможности физически противоречиво, то следует говорить об относительности понятия одновременности, т. е. о зависимости суждений об одновременности от скорости.

Существуют также и другие физические эффекты, регистрируемые приборами, предназначенными для измерения времени и расстояния. Поясняю, что под словом «часы» я понимаю устройство, предназначенное для измерения с максимально возможной точностью определенных промежутков времени. Под словом «расстояние» я подразумеваю нечто, измеряемое линейкой, которая калибрована на основании дистанционного сравнения с эталоном метра, находящимся в Париже. Таким образом, часы и линейки являются физическими предметами.

Чтобы не было противоречия с фактом существования предельной скорости, которая является не бесконечной, а конечной скоростью света (обычно обозначаемой с), необходимо отказаться от преобразования Галилея и заменить его новым преобразованием — преобразованием Лоренца, которое получило свое название по фамилии ученого, впервые выразившего его в математической форме. Это преобразование должно определять координату точки x и время t, если смотреть на эту точку из системы, движущейся равномерно с некоторой скоростью — v:



Это чрезвычайно простое преобразование Лоренца; здесь v — относительная скорость обеих систем, а γ — некоторый коэффициент, близкий к единице, когда скорость v невелика по сравнению со скоростью света c, и становящийся бесконечным (тем самым определяя предел применения этих преобразований) по мере приближения величины v к скорости света c. Более того, это преобразование ясно показывает предельный характер скорости света.

Итак, вы видите, что интервал длины в одной координатной системе окажется уменьшенным в отношении 1/γ при наблюдении в движущейся относительно него координатной системе.

Вы видите также, что в различных координатных системах часы будут показывать разное время, причем разница не только в масштабах, но зависит и от местонахождения часов. Вот в чем соль суждений об одновременности. Кроме того, длительность процесса t, измеренная в системе, в которой предмет находится в состоянии покоя, увеличивается, преобразуясь в величину γt, если наблюдатель движется относительно данного предмета со скоростью V.

Итак, движение сокращает отрезки длины и увеличивает промежутки времени; оба эти обстоятельства учтены в преобразовании Лоренца. Далее формула преобразования скорости V’ показывает, что если сложить две скорости, весьма близкие к скорости света, то все равно превысить скорость света не удастся; удастся лишь несколько приблизиться к ней.

Это вполне последовательная система не позволяет рассуждать о свойствах относительного движения со скоростью, превышающей скорость света, но она показывает, как толковать поведение реальных часов, стержней, атомов и всего прочего. Указанные уравнения дают инвариантное описание физических явлений, описание, не зависящее от характера относительного равномерного движения, одинаково пригодное как для одной системы, так и для другой. Этот формализм придает новое выражение старой теме Буридана, утверждавшего, что равномерное движение не требует причины; однако теперь с установлением совершенно новой закономерности, которую нельзя было предвидеть на основе обычного опыта и в соответствии с которой движение предметов со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, получается, что аналогом бесконечной скорости является скорость конечная.

Если принять эту точку зрения, то, естественно, возникает вопрос, остаются ли инвариантными не только уравнения электромагнитного поля Максвелла, но и уравнения движения заряженных и нейтральных частиц, имеют ли они все одинаковое содержание, независимо от системы координат, в которой мы описываем явления, при условии, что речь идет только о равномерном движении. Разумеется, так мы поступаем, рассуждая и о самых обычных вещах. Если, например, в задаче имеется полная симметрия, без выделения какого-либо направления, то нам наверняка захочется рассуждать таким образом, чтобы сохранить эту симметрию в нашем описании; если в пространстве нет ничего, что делало бы одну точку отличной от другой, то нам захочется дать такое описание, которое было бы одинаково верным как в городе Чикаго, так и в городе Гамильтоне [Город Гамильтон находится в Канаде. — Прим. перев.].

Подобно этому, в данном случае нам хотелось бы получить описание, которое было бы в равной мере верным независимо от относительной скорости рассматриваемых предметов или от того, что делает наблюдатель в момент наблюдения за этими предметами.

Такое предположение было сделано и относительно уравнений механики, и сразу же стало понятно, что уравнения Ньютона неверны. Это ясно a priori, так как если ускорение пропорционально силе и обратно пропорционально массе, то нет никаких причин для того, чтобы не достигнуть скорости, превышающей скорость света. Следовательно, что-то мешает этим силам быть столь эффективными, указывая на то, что масса тела фактически не постоянна. В самом деле, если теоретическая механика должна согласовываться с требованием постоянства скорости света и относительности в этом ограниченном смысле, то масса тела должна следующим образом увеличиваться с возрастанием скорости:



Здесь m0 — масса покоящегося тела, а m — масса тела, движущегося со скоростью V. Это и есть источник плодотворных размышлений Эйнштейна, так как если масса тела растет вместе со скоростью, то возрастает и его кинетическая энергия. Закон изменения кинетической энергии определяется соотношением