Три вида относительности в физике (видео научпоп + статья внутри)

Теория ‎относительности‏ ‎— ‎это ‎очень ‎популярная ‎штука.‏ ‎Даже ‎люди,‏ ‎далекие‏ ‎от ‎физики, ‎наверняка‏ ‎слышали ‎хоть‏ ‎раз ‎в ‎жизни ‎про‏ ‎относительность.

Мне‏ ‎понятие ‎относительности‏ ‎впервые ‎попалось‏ ‎в ‎рекламе. ‎Возможно ‎вы ‎помните,‏ ‎что‏ ‎одно ‎время‏ ‎на ‎телевидении‏ ‎крутили ‎ролик, ‎где ‎некоторый ‎товарищ‏ ‎приносил‏ ‎Эйнштейну‏ ‎ящик ‎и‏ ‎спрашивал ‎мол‏ ‎— ‎куда‏ ‎ящик‏ ‎ставить? ‎Эйнштейн,‏ ‎не ‎долго ‎думая, ‎отвечал ‎—‏ ‎ну ‎поставьте‏ ‎ящик‏ ‎справа. ‎Мужик ‎переспрашивал‏ ‎— ‎справа‏ ‎относительно ‎меня ‎или ‎вас?‏ ‎У‏ ‎Эйнштейна ‎загоралась‏ ‎лампочка ‎над‏ ‎головой ‎и ‎он ‎кричал ‎гениально!!!‏ ‎Видимо‏ ‎был ‎намек‏ ‎на ‎то,‏ ‎что ‎именно ‎так ‎открылась ‎теория‏ ‎относительности‏ ‎:)

Понятие‏ ‎относительности

Между ‎тем,‏ ‎понятие ‎относительности‏ ‎существовало ‎гораздо‏ ‎раньше,‏ ‎чем ‎Эйнштейн‏ ‎даже ‎родился ‎на ‎этот ‎свет.‏ ‎Ещё ‎папа‏ ‎механики‏ ‎Ньютон ‎использовал ‎понятие‏ ‎относительности ‎движения.‏ ‎Оно ‎и ‎логично. ‎Представьте‏ ‎себе‏ ‎любую ‎жизненную‏ ‎ситуацию, ‎где‏ ‎происходит ‎механическое ‎движение. ‎Это ‎движение‏ ‎всегда‏ ‎рассматривается ‎относительно‏ ‎чего-то. ‎Причем,‏ ‎если ‎рассматривать ‎его ‎относительно ‎разных‏ ‎точек,‏ ‎то‏ ‎меняется ‎и‏ ‎значение ‎изучаемого‏ ‎параметра.

Думаю, ‎понятие‏ ‎относительности‏ ‎протекания ‎процессов‏ ‎в ‎физике ‎долго ‎пояснять ‎и‏ ‎раскрывать ‎не‏ ‎нужно.‏ ‎Если ‎поезд ‎едет‏ ‎со ‎скоростью‏ ‎50 ‎км/ч, ‎то ‎относительно‏ ‎неподвижной‏ ‎станции ‎его‏ ‎скорость ‎50‏ ‎км/ч, ‎а ‎относительно ‎идущего ‎рядом‏ ‎поезда‏ ‎в ‎том‏ ‎же ‎направлении‏ ‎— ‎это ‎0 ‎км/ч.

Вот ‎только‏ ‎если‏ ‎приправить‏ ‎всё ‎это‏ ‎современными ‎знаниями,‏ ‎например ‎представлениями‏ ‎о‏ ‎скорости ‎света, то‏ ‎и относительность ‎получится ‎слегка ‎другой.

Начнем ‎с‏ ‎того, ‎что‏ ‎смысл‏ ‎теории ‎относительности ‎везде,‏ ‎в ‎общем-то,‏ ‎сохраняется. ‎Из ‎общей ‎теории‏ ‎относительности‏ ‎следует ‎специальная‏ ‎теория ‎относительности,‏ ‎а ‎из ‎неё ‎можно ‎выделить‏ ‎и‏ ‎Ньютоновскую ‎часть.

Относительность‏ ‎у ‎Ньютона

По‏ ‎большому ‎счёту, ‎можно ‎сказать, ‎что‏ ‎вся‏ ‎механика‏ ‎Ньютона ‎—‏ ‎это ‎частный‏ ‎случай ‎специальной‏ ‎теории‏ ‎относительности. ‎Главное‏ ‎различие ‎тут ‎— ‎абсолют. ‎Только‏ ‎сидхи ‎всё‏ ‎возводят‏ ‎в ‎абсолют, ‎а‏ ‎ещё ‎так‏ ‎делает ‎Ньютон.

В ‎этой ‎версии‏ ‎относительности‏ ‎есть ‎и‏ ‎привычная ‎всем‏ ‎нам ‎координатная ‎плоскость, ‎и ‎вполне‏ ‎себе‏ ‎работают ‎часы,‏ ‎и ‎гравитация‏ ‎влияет ‎на ‎объекты ‎только ‎как‏ ‎гравитация.‏ ‎Ещё‏ ‎у ‎тел‏ ‎есть ‎длина,‏ ‎которая ‎неизменна.‏ ‎И,‏ ‎в ‎общем-то,‏ ‎если ‎говорить ‎о ‎физике ‎с‏ ‎позиции ‎здравомыслящего‏ ‎человека,‏ ‎который ‎пока ‎ещё‏ ‎не ‎заглядывал‏ ‎глубже, ‎то ‎теория ‎Ньютона‏ ‎выглядит‏ ‎наиболее ‎логичной‏ ‎и ‎правильной.‏ ‎Относительность ‎воспринимается ‎как ‎логичная ‎и‏ ‎понятная‏ ‎сущность.

Законы ‎физики‏ ‎Ньютона ‎имеют‏ ‎дело ‎с ‎абсолютным ‎временем ‎и‏ ‎движением.‏ ‎Но‏ ‎в ‎процессе‏ ‎развития ‎знаний‏ ‎о ‎природе‏ ‎оказалось,‏ ‎что ‎всё‏ ‎немного ‎иначе. ‎Появилась ‎более ‎крутая‏ ‎теория ‎относительности.‏ ‎Тут‏ ‎отметим, ‎что ‎Эйнштейн,‏ ‎которому ‎негласно‏ ‎приписывается ‎абсолютно ‎ВСЁ, ‎связанное‏ ‎с‏ ‎относительностями ‎в‏ ‎физике, ‎был‏ ‎далеко ‎не ‎первым, ‎кто ‎об‏ ‎этом‏ ‎задумывался.

Так, ‎новый‏ ‎взгляд ‎на‏ ‎относительность ‎изначально ‎рассматривал ‎Анри ‎Пуанкаре.

Специальная‏ ‎теория‏ ‎относительности‏ ‎Эйнштейна ‎(СТО)

Специальная‏ ‎теория ‎относительности‏ ‎Эйнштейна ‎математически‏ ‎показала,‏ ‎что ‎ни‏ ‎одна ‎из ‎абсолютных ‎величин ‎Ньютона,‏ ‎таковыми ‎не‏ ‎являются.‏ ‎Единственная ‎константа ‎тут‏ ‎— ‎это‏ ‎скорость ‎света ‎во ‎вселенной.

Относительно‏ ‎любого‏ ‎тела ‎скорость‏ ‎света ‎будет‏ ‎неизменной ‎величиной, ‎как ‎бы ‎быстро‏ ‎оно‏ ‎не ‎двигалось

Тут‏ ‎сразу ‎вспоминаются‏ ‎эти ‎шуточки, ‎про ‎велосипед ‎и‏ ‎фонарик. И‏ ‎вполне‏ ‎справедливо ‎и‏ ‎логично ‎считать,‏ ‎что ‎применяя‏ ‎релятивистское‏ ‎сложение ‎скоростей‏ ‎так ‎и ‎должно ‎быть, ‎но‏ ‎нет.

Относительно ‎любого‏ ‎тела‏ ‎скорость ‎света ‎будет‏ ‎неизменной ‎величиной,‏ ‎как ‎бы ‎быстро ‎оно‏ ‎не‏ ‎двигалось

Тут ‎сразу‏ ‎вспоминаются ‎эти‏ ‎шуточки, ‎про ‎велосипед ‎и ‎фонарик. И‏ ‎вполне‏ ‎справедливо ‎и‏ ‎логично ‎считать,‏ ‎что ‎применяя ‎релятивистское ‎сложение ‎скоростей‏ ‎так‏ ‎и‏ ‎должно ‎быть,‏ ‎но ‎нет.

По‏ ‎идее, ‎скорость‏ ‎движущегося‏ ‎вперед ‎велосипеда‏ ‎должна ‎суммироваться ‎со ‎скоростью ‎света‏ ‎в ‎фонарике‏ ‎и‏ ‎вот ‎мы ‎и‏ ‎превысили ‎скорость‏ ‎света. ‎Однако, ‎было ‎доказано,‏ ‎что‏ ‎скорость ‎света‏ ‎в ‎подобных‏ ‎ситуациях ‎превысить ‎невозможно ‎и ‎все‏ ‎взаимодействия‏ ‎не ‎могут‏ ‎её ‎превышать.

В‏ ‎итоге ‎мы ‎имеем ‎два ‎основных‏ ‎положения‏ ‎СТО:

• Принцип‏ ‎относительности, ‎который‏ ‎говорит, ‎что‏ ‎для ‎тех‏ ‎тел,‏ ‎которые ‎перемещаются‏ ‎относительно ‎друг ‎друга ‎на ‎постоянной‏ ‎скорости ‎или‏ ‎неподвижны,‏ ‎физические ‎процессы ‎протекают‏ ‎одинаково ‎и‏ ‎работает ‎механика ‎Ньютона
• Принцип ‎постоянства‏ ‎скорости‏ ‎света, ‎который‏ ‎и ‎запрещает‏ ‎свету ‎в ‎фонарике ‎велосипеда ‎превышать‏ ‎скорость‏ ‎света ‎и‏ ‎суммироваться

Массивные ‎математические‏ ‎вычисления ‎показывают, ‎что ‎второе ‎обстоятельство‏ ‎вызывает‏ ‎множество‏ ‎странных ‎парадоксов.‏ ‎Например, ‎длина‏ ‎не ‎является‏ ‎константой‏ ‎и ‎при‏ ‎движении ‎вперед ‎с ‎большой ‎скоростью‏ ‎линейная ‎длина‏ ‎тела‏ ‎начинает ‎уменьшаться!

Важным ‎дополнением‏ ‎будет ‎тот‏ ‎факт, ‎что ‎обстоятельства ‎эти‏ ‎начинают‏ ‎работать ‎уже‏ ‎и ‎при‏ ‎меньших ‎скоростях. ‎Например, ‎широко ‎известен‏ ‎эксперимент,‏ ‎в ‎котором‏ ‎высокоточные ‎часы‏ ‎на ‎борту ‎скоростного ‎лайнера ‎шли‏ ‎медленнее,‏ ‎чем‏ ‎на ‎земле.

Общая‏ ‎теория ‎относительности‏ ‎(ОТО)

Специальная ‎теория‏ ‎следует‏ ‎из ‎общей‏ ‎теории ‎относительности ‎и ‎является ‎её‏ ‎частным ‎случаем.‏ ‎Это‏ ‎означает, ‎что ‎она‏ ‎вполне ‎применима‏ ‎для ‎нашего ‎пространства. ‎Но‏ ‎откуда‏ ‎берется ‎вся‏ ‎эта, ‎простите,‏ ‎чертовщина? ‎Почему ‎часы ‎идут ‎медленнее‏ ‎в‏ ‎самолете? ‎Это‏ ‎и ‎пытается‏ ‎объяснить ‎ОТО. ‎Причем, ‎через ‎гравитацию‏ ‎и‏ ‎массу.

Тут‏ ‎тоже ‎Эйнштейн‏ ‎успел ‎наломать‏ ‎дров, ‎но‏ ‎не‏ ‎в ‎одиночку.

Общая‏ ‎теория ‎относительности ‎подразумевает ‎очень ‎важное‏ ‎и ‎страшное‏ ‎обстоятельство.

Пространство‏ ‎и ‎время ‎не‏ ‎являются ‎однородной‏ ‎системой.

Мы ‎не ‎можем ‎воспринимать‏ ‎четырехмерное‏ ‎пространство. ‎Мы‏ ‎не ‎умеем‏ ‎работать ‎со ‎временем. ‎То, ‎что‏ ‎доступно‏ ‎нам ‎—‏ ‎это ‎проекции.‏ ‎Не ‎реальность, ‎а ‎проекции. ‎Поэтому,‏ ‎возможны‏ ‎и‏ ‎искажения ‎и‏ ‎длины, ‎и‏ ‎времени.

Массивные ‎объекты‏ ‎вызывают‏ ‎искажение ‎пространства-времени‏ ‎и ‎это ‎называется ‎гравитацией. В ‎такие‏ ‎искажения ‎проваливаются‏ ‎объекты,‏ ‎а ‎мы ‎ощущаем‏ ‎это ‎как‏ ‎силу ‎притяжения.

Масса ‎изгибает ‎окружающее‏ ‎её‏ ‎пространство ‎так,‏ ‎что ‎мы‏ ‎движемся ‎к ‎центрам ‎большей ‎массы.

В‏ ‎специальной‏ ‎теории ‎относительности‏ ‎всё ‎ещё‏ ‎как-то ‎походило ‎на ‎добрую ‎и‏ ‎очевидную‏ ‎механику‏ ‎Ньютона. ‎Тут‏ ‎нет. ‎Теперь‏ ‎добавилось ‎ускорение!‏ ‎Теперь‏ ‎любое ‎неподвижное‏ ‎тело ‎на ‎самом ‎деле ‎двигается,‏ ‎да ‎ещё‏ ‎и‏ ‎с ‎ускорением. ‎Если‏ ‎у ‎Ньютона‏ ‎тела ‎просто ‎притягивались ‎друг‏ ‎к‏ ‎другу, ‎то‏ ‎Эйнштейн ‎в‏ ‎общей ‎теории ‎взял ‎и ‎сказал‏ ‎-‏ ‎все ‎объекты‏ ‎проваливаются ‎в‏ ‎дыры ‎пространства ‎друг ‎за ‎другом.

Ожидаемое‏ ‎движение‏ ‎предметов‏ ‎и ‎тел‏ ‎подразумевает ‎следование‏ ‎простейшему ‎пути‏ ‎через‏ ‎пространство-время ‎без‏ ‎взаимодействия ‎с ‎пространством.