Как работает специальная теория относительности

[Carder]

Страницы из оригинальной рукописи Альберта Эйнштейна, в которых он определяет свою теорию относительности

Если вы поклонник научной фантастики, то знаете, что «относительность» - довольно распространенная часть этого жанра. Например, люди в «Звездном пути» всегда говорят о пространственно-временном континууме, червоточинах, замедлении времени и многих других вещах, которые так или иначе основаны на принципе относительности. Если вы поклонник науки, то знаете, что теория относительности играет и здесь большую роль, особенно когда речь идет о таких вещах, как черные дыры и астрофизика.

Если вы когда-нибудь хотели понять основы теории относительности, то эта тема будет для вас невероятно интересной. В этом выпуске основные принципы теории обсуждаются в доступной форме, чтобы вы могли понять терминологию и соответствующие теории. Как только вы поймете эти концепции, вы обнаружите, что научные новостные статьи и научно-фантастические рассказы намного интереснее!

1.0 - Основные свойства Вселенной​

Если вы хотите описать вселенную, как мы ее знаем, в самых основных терминах, вы можете сказать, что она состоит из нескольких свойств. Все мы знакомы с этими свойствами - настолько знакомы, что принимаем их как должное. Однако в рамках специальной теории относительности многие из этих свойств ведут себя очень неожиданным образом! Давайте рассмотрим фундаментальные свойства Вселенной, чтобы мы могли их понять.

Космос
Пространство - это трехмерное представление всего, что мы наблюдаем и всего, что происходит. Пространство позволяет объектам иметь длину влево / вправо, вверх / вниз и вперед / назад.

Время
Время - это четвертое измерение. В обычной жизни время - это инструмент, который мы используем для измерения хода событий в пространстве. Но время - это нечто большее. Да, мы используем время как «инструмент», но время необходимо для нашего физического существования. Пространство и время, когда они используются для описания событий, не могут быть четко разделены. Таким образом, пространство и время связаны симбиотическим образом. Одно без другого не имеет значения в нашем физическом мире. Чтобы быть избыточным, без пространства время было бы бесполезно для нас, а без времени пространство было бы бесполезным для нас. Эта взаимозависимость известна как континуум пространства-времени. Это означает, что любое событие в нашей Вселенной - это событие Пространства и Времени. В специальной теории относительности пространство-время не требует понятия универсального компонента времени. Компонент времени для событий, которые движущиеся люди рассматривают относительно друг друга, будет другим. Как вы увидите позже, пространство-время - это смерть концепции одновременности.

Материя
Материя в самом фундаментальном определении - это все, что занимает место. Любой объект, который вы можете увидеть, коснуться или переместить, применив силу, является материей. Большинство людей, вероятно, помнят из школы, что материя состоит из миллионов миллиардов плотно упакованных атомов. Вода, например, представляет собой соединение H2O, что означает, что два атома водорода в сочетании с одним атомом кислорода образуют одну молекулу воды.
Чтобы полностью понять материю, давайте посмотрим на атом. В настоящее время принято считать, что атомы состоят из трех частиц, называемых нейтронами, протонами и электронами. Нейтроны и протоны находятся в ядре (центре) атома, а электроны находятся в оболочке, окружающей ядро. Нейтроны - тяжелые частицы, но у них нет заряда - они нейтральны. Протоны также являются тяжелыми частицами и имеют положительный заряд. Электроны - это легкие частицы, заряженные отрицательно. Есть много важных особенностей, которые возникают из рассмотрения количества этих частиц в каждом атоме. Например, количество протонов в атоме будет определять его место в периодической таблице, а также его поведение в физической вселенной.

Движение
Все, что находится в процессе изменения своего положения в пространстве, считается движущимся. Как вы увидите позже, рассмотрение «движения» допускает или порождает некоторые очень интересные концепции.
Дальше мы рассмотрим массу и энергию.

Масса и энергия​

У массы есть два одинаково важных определения. Одно - это общее определение, которому учат большинство старшеклассников, а другое - более техническое определение, используемое в физике.
Обычно масса определяется как мера того, сколько вещества содержит объект или тело - общее количество субатомных частиц (электронов, протонов и нейтронов) в объекте. Если вы умножите свою массу на силу притяжения Земли, вы получите свой вес. Итак, если вес вашего тела колеблется в результате приема пищи или упражнений, на самом деле меняется ваша масса. Важно понимать, что масса не зависит от вашего положения в пространстве. Масса вашего тела на Луне такая же, как и на Земле. С другой стороны, гравитационное притяжение Земли уменьшается по мере того, как вы отдаляетесь от Земли. Таким образом, вы можете похудеть, изменив высоту, но ваша масса останется прежней. Вы также можете похудеть, живя на Луне, но опять же ваша масса останется прежней.

В физике масса определяется как количество силы, необходимое для ускорения тела. В физике масса очень тесно связана с энергией. Масса зависит от движения тела относительно движения наблюдателя. Если тело в движении измеряет его массу, она всегда одна и та же. Однако, если наблюдатель, который не движется вместе с телом, измеряет массу тела, наблюдатель увидит увеличение массы при ускорении объекта. Это называется релятивистской массой. Следует отметить, что физика фактически перестала использовать это понятие массы и теперь занимается в основном с точки зрения энергии (см. Раздел об объединении массы и энергии). На данном этапе это определение массы может быть немного туманным, но важно знать концепцию. Это должно стать более ясным при обсуждении специальной теории относительности. Здесь важно понять, что существует связь между массой и энергией.

Энергия​

Энергия - это мера способности системы выполнять «работу». Она существует во многих формах… потенциальной, кинетической и т. д. Закон сохранения энергии говорит нам, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена; его можно только преобразовать из одной формы в другую. Эти отдельные формы энергии не сохраняются, но сохраняется общее количество энергии. Если вы уроните бейсбольный мяч с крыши, мяч приобретет кинетическую энергию в тот момент, когда он начнет двигаться. Прямо перед тем, как вы уронили мяч, в нем была только потенциальная энергия. Когда мяч движется, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Аналогичным образом, когда мяч ударяется о землю, часть его энергии преобразуется в тепло (иногда называемое тепловой энергией или тепловой кинетической энергией). Если вы пройдете каждую фазу этого сценария и просуммируете энергию для системы,
Дальше мы рассмотрим свойства света.

Свет​

Свет представляет собой форму энергии и существует в двух концептуальных рамках: свет проявляет свойства, которые имеют характеристики дискретных частиц (например, энергия уносится «кусками») и характеристики волн (например, дифракция). Этот раскол известен как двойственность. Важно понимать, что это не ситуация «или / или». Двойственность означает, что характеристики как волн, так и частиц присутствуют одновременно. Один и тот же луч света будет вести себя как частица и / или как волна в зависимости от эксперимента. Кроме того, каркас (блоки) частиц может иметь взаимодействия, которые могут быть описаны в терминах волновых характеристик, а волновой каркас может иметь взаимодействия, которые могут быть описаны в терминах характеристик частиц. Форма частицы известна как фотон, электромагнитное излучение. Сначала фотон ...
Фотон - это свет, который мы видим, когда атом излучает энергию. В модели атома электроны вращаются вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Для электронов, вращающихся вокруг ядра, существуют отдельные электронные уровни. Представьте себе баскетбольный мяч с обручем нескольких размеров. Ядром будет баскетбольный мяч, а возможными уровнями электронов - хула-хупы. Эти окружающие уровни можно назвать орбиталями. Каждая из этих орбиталей может принимать только дискретное количество энергии. Если атом поглощает некоторую энергию, электрон на орбитали, близкой к ядру (более низкий уровень энергии), перепрыгнет на орбиталь, расположенную дальше от ядра (более высокий уровень энергии). Теперь говорят, что атом возбужден. Это возбуждение обычно длится недолго, и электрон упадет обратно в нижнюю оболочку. Будет выпущен пакет энергии, называемый фотоном или квантами. Эта излучаемая энергия равна разнице между высоким и низким уровнями энергии и может рассматриваться как свет в зависимости от его частоты волны, обсуждаемой ниже.

Волновая форма света на самом деле представляет собой форму энергии, которая создается колеблющимся зарядом. Этот заряд состоит из колеблющегося электрического поля и колеблющегося магнитного поля, отсюда и название электромагнитного излучения. Следует отметить, что два поля колеблются перпендикулярно друг другу. Свет - это только одна из форм электромагнитного излучения. Все формы классифицируются в электромагнитном спектре по количеству полных колебаний в секунду, которым подвергаются электрические и магнитные поля, называемые частотой. Частотный диапазон для видимого света - это лишь небольшая часть спектра, причем фиолетовый и красный являются самой высокой и самой низкой частотами соответственно. Поскольку фиолетовый свет имеет более высокую частоту, чем красный, мы говорим, что он обладает большей энергией. Если вы полностью изучите электромагнитный спектр, вы увидите, что гамма-лучи являются наиболее энергичными. Это не должно вызывать удивления, поскольку общеизвестно, что у гамма-лучей достаточно энергии, чтобы проникать во многие материалы. Эти лучи очень опасны из-за биологического ущерба, который они могут нанести вам (см. статью «Как работает ядерное излучение»).для дальнейшего обсуждения гамма-излучения.). Количество энергии зависит от частоты излучения. Видимое электромагнитное излучение - это то, что мы обычно называем светом, который также можно разбить на отдельные частоты с соответствующими уровнями энергии для каждого цвета.

Характеристики света​

Проходя свой путь в пространстве, свет часто встречает материю в той или иной форме. Мы все должны быть знакомы с отражением, поскольку мы видим яркие отражения, когда свет падает на гладкую блестящую поверхность, например, на зеркало. Это пример того, как свет определенным образом взаимодействует с материей. Когда свет перемещается из одной среды в другую, свет изгибается. Это называется рефракцией. Если среда на пути света искривляет свет или блокирует его определенные частоты, мы можем видеть отдельные цвета. радуга, например, происходит, когда солнечный свет отделяется от влаги в воздухе. Влага искривляет свет, таким образом разделяя частоты и позволяя нам видеть уникальные цвета светового спектра. Призмы также обеспечивают этот эффект. Когда свет падает на призму под определенными углами, он преломляется (изгибается), в результате чего он разделяется на отдельные частоты. Этот эффект возникает из-за формы призмы и угла падения света.

Если вы внимательно посмотрите на то, что происходит, когда световая волна входит в призму на второй диаграмме, вы заметите, что она изгибается вниз. Этот изгиб происходит потому, что свет проходит через воздух быстрее, чем через призму. Когда нижняя часть волны входит в призму, она замедляется. Поскольку верхняя часть волны (все еще в воздухе) движется быстрее, чем нижняя часть, волна изгибается. Точно так же, когда волна выходит из призмы, верхняя часть выходит первой и начинает двигаться быстрее, чем нижняя часть, которая все еще находится в призме. Этот перепад скорости заставляет волну снова изгибаться. Представьте себе скейтбордиста, который едет по подъездной дорожке. Если всадник повернется и упадет в траву, его тело бросится вперед и фактически отлетит от доски, если изначально он едет достаточно быстро. Это аналогично изгибу света, поскольку он проходит через разные среды. Скейтборд и всадник движутся с одинаковой скоростью, пока колеса не касаются травы. Теперь внезапно скейтборд движется медленнее, чем всадник, поэтому всадник начинает наклоняться вперед (всадник пытается продолжить движение с той же скоростью, на которой он был до того, как колеса коснулись травы).

Теперь, когда у нас есть небольшое представление о составе света, мы можем приступить к разрешению часто объясняемой концепции «скорости света». Поскольку сам по себе свет - это просто форма электромагнитного излучения, скорость света - это просто простой способ говорить о скорости электромагнитного излучения в целом. Если задуматься, скорость света - это «скорость информации». Мы не можем признать, что событие произошло, пока информация об этом событии не дошла до нас. Информация содержится в электромагнитном излучении события посредством радиосигнала, вспышки света и т.д. Любое событие - это просто возникновение пространства и времени, и любая информация, которая может быть передана о событии, излучается наружу как излучение некоторых Сортировать. Информация (электромагнитное излучение) от события распространяется со скоростью 186 000 миль в секунду в вакууме. Если вы представите себе длинный поезд, который начинает движение вперед из остановленного положения, вы не ожидаете, что последний вагон начнет движение мгновенно. Есть время, которое проходит до того, как последний автомобиль начинает тянуть. Таким образом, существует ожидаемая задержка для «получения» последней машиной информации о том, что первая машина движется и тянет. Эта задержка аналогична передаче информации в специальной теории относительности, но СТО накладывает только верхний предел скорости передачи информации; скорость света. Вы можете сделать пример поезда сколь угодно подробным, но, тем не менее, вы всегда обнаружите, что не может быть никакой реакции без временной задержки, по крайней мере, со скоростью света между действием и реакцией.

2.0 - Специальная теория относительности​

Теперь вы знакомы с основными игроками во Вселенной: пространство, время, материя, движение, масса, гравитация, энергия и свет. Отличительной особенностью специальной теории относительности является то, что многие из простых свойств, обсуждаемых в разделе 1, ведут себя очень неожиданным образом в определенных конкретных «релятивистских» ситуациях. Ключом к пониманию специальной теории относительности является понимание влияния теории относительности на каждое свойство.

Справочные рамки​

Специальная теория относительности Эйнштейна основана на идее системы отсчета . Система отсчета - это просто «место, где находится человек (или другой наблюдатель)». Вы, вероятно, в этот момент сидите за своим компьютером. Это ваша текущая система отсчета. Вы чувствуете себя неподвижно, хотя знаете, что Земля вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца. Вот важный факт о системе отсчета: в нашей Вселенной не существует такой вещи, как абсолютная система отсчета. Говоря абсолютноНа самом деле имеется в виду, что во Вселенной нет места, которое было бы полностью неподвижным. В этом утверждении говорится, что, поскольку все движется, все движения относительны. Подумайте об этом - сама земля движется, поэтому, даже если вы стоите на месте, вы находитесь в движении. Вы все время движетесь как в пространстве, так и во времени. Поскольку во Вселенной нет места или объекта, который был бы неподвижным, нет единого места или объекта, на котором можно было бы основывать все остальные движения. Следовательно, если Джон бежит к Хантеру, это можно правильно рассматривать двумя способами. С точки зрения Хантера, Джон движется к Хантеру. С точки зрения Джона, Хантер движется к Джону. И Джон, и Хантер имеют право наблюдать за действием из своих систем координат. Все движение относительно вашей системы координат. Другой пример: Если вы бросаете мяч, он имеет право считать себя неподвижным по отношению к вам. Мяч может видеть, как вы удаляетесь от него, даже если вы считаете, что мяч удаляется от вас. Имейте в виду, что даже если вы не двигаетесь относительно поверхности земли, вы движетесь вместе с ней.
Дальше мы рассмотрим первый постулат специальной теории относительности.

Преобразования Лоренца
Преобразования Лоренца - это математические уравнения, которые позволяют нам переходить из одной системы координат в другую. Зачем нам это нужно? Потому что специальная теория относительности имеет дело с системами отсчета. Когда вы анализируете свойства из одного кадра в другой, необходимо сначала выполнить преобразование из одной системы координат в другую. Таким образом, мы можем использовать преобразования Лоренца для преобразования длины и времени из одной системы отсчета в другую. Например, если вы летите на самолете, а я неподвижно стою на земле, вы можете применить преобразования, чтобы преобразовать мою систему отсчета в вашу систему отсчета, и я мог бы сделать то же самое для вас в своей системе отсчета. Предыдущие утверждения подразумевают, что длина и время не одинаковы для объектов, которые движутся относительно друг друга. Каким бы невероятным это ни казалось, это результат SR. Эйнштейн использовал преобразования, потому что они обеспечивают метод перевода свойств из одной системы отсчета в другую, когда скорость света поддерживается постоянной в обеих.

Первый постулат специальной теории относительности​

Первый постулат специальной теории относительности несложно проглотить: законы физики верны для всех систем отсчета. Это самая простая для понимания из всех релятивистских концепций. Физические законы помогают нам понять, как и почему наша окружающая среда реагирует именно так. Они также позволяют нам предсказывать события и их результаты. Рассмотрим мерку и цементный блок. Если вы измеряете длину блока, вы получите одинаковый результат независимо от того, стоите вы на земле или едете в автобусе. Затем измерьте время, за которое маятник совершит 10 полных колебаний с начальной высоты в 12 дюймов над точкой покоя. Опять же, вы получите одинаковые результаты независимо от того, стоите ли вы на земле или едете в автобусе. Обратите внимание: мы предполагаем, что автобус не ускоряется, а движется с постоянной скоростью по гладкой дороге. Теперь, если мы возьмем те же примеры, что и выше, но на этот раз измерьте блок и время качания маятника, когда они проезжают мимо нас в автобусе, мы получим результаты, отличные от наших предыдущих результатов. Разница в результатах наших экспериментов происходит потому, что законы физики остаются одинаковыми для всех систем отсчета. Обсуждение Второго постулата объяснит это более подробно. Важно отметить, что то, что законы физики постоянны, не означает, что мы получим одинаковые экспериментальные результаты в разных рамках. Это зависит от характера эксперимента. Например, если мы врежем две машины друг в друга, мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, находились ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. мы получим результаты, отличные от наших предыдущих результатов. Разница в результатах наших экспериментов происходит потому, что законы физики остаются одинаковыми для всех систем отсчета. Обсуждение Второго постулата объяснит это более подробно. Важно отметить, что постоянство законов физики не означает, что мы получим одинаковые экспериментальные результаты в разных рамках. Это зависит от характера эксперимента. Например, если мы врежем две машины друг в друга, мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. мы получим результаты, отличные от наших предыдущих результатов. Разница в результатах наших экспериментов происходит потому, что законы физики остаются одинаковыми для всех систем отсчета. Обсуждение Второго постулата объяснит это более подробно. Важно отметить, что постоянство законов физики не означает, что мы получим одинаковые экспериментальные результаты в разных рамках. Это зависит от характера эксперимента. Например, если мы врежем две машины друг в друга, мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. Разница в результатах наших экспериментов происходит потому, что законы физики остаются одинаковыми для всех систем отсчета. Обсуждение Второго постулата объяснит это более подробно. Важно отметить, что постоянство законов физики не означает, что мы получим одинаковые экспериментальные результаты в разных рамках. Это зависит от характера эксперимента. Например, если мы врежем две машины друг в друга, мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. Разница в результатах наших экспериментов происходит потому, что законы физики остаются одинаковыми для всех систем отсчета. Обсуждение Второго постулата объяснит это более подробно. Важно отметить, что постоянство законов физики не означает, что мы получим одинаковые экспериментальные результаты в разных рамках. Это зависит от характера эксперимента. Например, если мы врежем две машины друг в друга, мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. Важно отметить, что постоянство законов физики не означает, что мы получим одинаковые экспериментальные результаты в разных рамках. Это зависит от характера эксперимента. Например, если мы врежем две машины друг в друга, мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. Важно отметить, что постоянство законов физики не означает, что мы получим одинаковые экспериментальные результаты в разных рамках. Это зависит от характера эксперимента. Например, если мы врежем две машины друг в друга, мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета. мы обнаружим, что энергия была сохранена для столкновения независимо от того, были ли мы в одной из машин или стоим на тротуаре. Сохранение энергии - это физический закон, и поэтому он должен быть одинаковым во всех системах отсчета.

Второй постулат специальной теории относительности​

Второй постулат специальной теории относительности весьма интересен и неожидан из-за того, что он говорит о системах отсчета. Постулат таков: скорость света измеряется как постоянная во всех системах отсчета. Это действительно можно назвать первым постулатом в разной одежде. Если законы физики одинаково применимы ко всем системам отсчета, то свет (электромагнитное излучение) должен распространяться с одинаковой скоростью независимо от системы отсчета. Это необходимо для того, чтобы законы электродинамики применялись одинаково для всех кадров.
Мы более подробно рассмотрим второй постулат дальше.

Второй постулат относительности​

Этот постулат очень странный, если задуматься на мгновение. Вот один факт, который вы можете вывести из постулата: независимо от того, летите ли вы в самолете или сидите на диване, скорость света будет для вас одинакова в обеих ситуациях. Причина этого является неожиданной, потому что большинство физических объектов, с которыми мы имеем дело в мире, складывают свои скорости. Представьте себе кабриолет, приближающийся к вам со скоростью 50 миль в час. Пассажир достает рогатку и стреляет в вас камнем со скоростью 20 миль в час. Если вы измерили скорость камня, можно было ожидать, что он движется со скоростью 70 миль / час (скорость автомобиля плюс скорость камня от рогатки). Так и происходит. Если бы водитель измерил скорость камня, он бы измерил только 20 миль / час, поскольку он уже движется со скоростью 50 миль / час с автомобилем. Теперь, если та же самая машина приближается к вам со скоростью 50 миль / час и водитель включает фары, происходит что-то другое? Поскольку известно, что скорость света составляет 669 600 000 миль / час, здравый смысл подсказывает нам, что скорость автомобиля плюс скорость луча фар дает в сумме 669 600,050 миль / час (50 миль / час + 669 600 000 миль / час). Фактическая скорость будет равна 669 600 000 миль / час, это в точности скорость света. Чтобы понять, почему это происходит, мы должны взглянуть на наше понятие скорости.
Скорость - это расстояние, пройденное за определенный промежуток времени. Например, если вы преодолеете 60 миль за час, ваша скорость составит 60 миль в час. Мы можем легко изменить нашу скорость, ускоряясь и замедляя движение. Чтобы скорость света была постоянной, даже если свет «запускается» из движущегося объекта, могут происходить только две вещи. Либо что-то в нашем представлении о расстоянии и / или что-то в нашем представлении о времени должно быть искажено. Оказывается, оба искажены. Помните, что скорость - это расстояние, разделенное на время.
Мы более подробно рассмотрим перекос дальше.

Перекос​

В примере с фарой расстояние, которое вы используете при измерении, не совпадает с расстоянием, которое использует свет. Это очень трудная для понимания концепция, но это правда. Когда объект (имеющий массу) находится в движении, его измеренная длина сокращается в направлении движения. Если объект достигает скорости света, его измеренная длина сокращается до нуля. Только человек, который находится в системе координат, отличной от объекта, сможет обнаружить сжатие - что касается объекта, в его системе координат его размер остается неизменным. Это явление называется «сокращением длины». Это означает, например, что когда ваш автомобиль приближается к скорости света, длина автомобиля, измеренная неподвижным наблюдателем, будет меньше, чем если бы автомобиль измерялся, когда он стоял на месте.
На рис. 2 автомобиль остановлен у знака «стоп». На рис. 3 мимо вас проезжает та же машина. Вы легко заметите, что движущийся автомобиль на рисунке короче остановившегося. Обратите внимание, что автомобиль будет короче только в том направлении, в котором он движется, его высота и ширина не будут затронуты - только его длина. Сокращение длины влияет только на длину в том направлении, в котором вы путешествуете. Представьте, что вы очень быстро бежите к открытой двери. С вашей точки зрения, расстояние от передней части дверного проема до задней части дверного проема уменьшится. С точки зрения дверей ширина вашего тела - расстояние от груди до спины - уменьшится.
Ученые считают, что они действительно доказали эту идею сокращения длины. Следовательно, в действительности все объекты воспринимаются сокращающимися в направлении, в котором они движутся, если на них смотрит кто-то, кто не движется вместе с ними. Если вы находитесь в движущейся машине и измеряете длину подлокотника, вы никогда не заметите изменения, независимо от того, насколько быстро вы движетесь, потому что рулетка также будет укорочена из-за движения.
В нашей жизни мы никогда не замечаем сокращения длины, потому что движемся со скоростью, которая очень мала по сравнению со скоростью света. Изменение слишком мало, чтобы мы могли его заметить. Помните, что скорость света составляет 669 600 000 миль / час или 186 400 миль / сек, поэтому легко понять, почему наши повседневные скорости незначительны.
Мы рассмотрим сокращение длины дальше

Сокращение длины​

Преобразования Лоренца позволяют рассчитать сокращение длины. Степень сжатия зависит от того, насколько быстро объект движется по отношению к наблюдателю. Чтобы выразить некоторые цифры, предположим, что 12-дюймовый футбольный мяч пролетает мимо вас и движется со скоростью 60% от скорости света. Вы бы измерили футбольный мяч как 9,6 дюйма в длину. Итак, при скорости 60% от скорости света вы измеряете футбольный мяч на 80% от его исходной длины (исходные 12-дюймовые измерения были сделаны в состоянии покоя по отношению к вам). Имейте в виду, что все измерения производятся в направлении движения - диаметр мяча не изменяется при движении мяча вперед. Вот два момента, о которых следует помнить:

1. Если вы бежите рядом с футбольным мячом с той же скоростью, 60% скорости света, вы всегда будете измерять длину как 12 дюймов. Это ничем не отличается от того, что вы стоите на месте и измеряете мяч, держа его в руках.
2. если женщина, бегущая с футбольным мячом, измерила линейку, которую вы держите, она также измерила бы вас и вашу линейку так, чтобы длина была сокращена. Помните, она имеет равное право рассматривать вас как движущегося по отношению к ней человека.

Влияние движения на время​

Я упомянул, что время также меняется в зависимости от системы отсчета (движения). Это известно как «замедление времени». Время на самом деле замедляется с движением, но это становится очевидным только при скоростях, близких к скорости света. Подобно сокращению длины, если скорость достигает скорости света, время замедляется до полной остановки. Опять же, это заметит только наблюдатель, который не движется с измеряемым временем. Подобно рулетке при сокращении длины, часы в движении также будут затронуты, поэтому они никогда не смогут обнаружить замедление времени (вспомните маятник). Поскольку наше повседневное движение не приближается к чему-либо отдаленно близкому к скорости света, расширение совершенно незаметно для нас, но оно есть.
Мы более подробно рассмотрим замедление времени дальше.

Замедление времени​

Чтобы попытаться доказать эту теорию замедления времени, были синхронизированы два очень точных атомных часа, а один был взят в высокоскоростной полет на самолете. Когда самолет вернулся, часы, которые летели на самолете, были медленнее, чем предсказывали уравнения Эйнштейна. Таким образом, движущиеся часы идут медленнее, если смотреть в систему отсчета, которая не движется вместе с ними. Имейте в виду, что когда часы вернулись, они показали меньше времени, чем наземные часы. После воссоединения с наземными часами медленные часы снова будут записывать время с той же скоростью, что и наземные часы (очевидно, они будут отставать на количество времени, на которое они замедлились во время поездки, если не будут повторно синхронизированы). Только когда часы движутся относительно других часов, происходит замедление времени. Взгляните на Рис. 4 и Рис. 5 ниже.
Предположим, что объект под солнцем на рис. 4 - это световые часы на колесах. Световые часы измеряют время, посылая луч света от нижней пластины к верхней пластине, где он затем отражается обратно к нижней пластине. Световые часы, кажется, являются лучшим средством измерения времени, поскольку их скорость остается постоянной независимо от движения. Итак, на рис. 4 мы подошли к световым часам и обнаружили, что свету требуется 1 секунда, чтобы пройти снизу вверх и снова обратно вниз. Теперь посмотрим на рис. 5. В этом примере световые часы движутся вправо, но мы стоим на месте. Если бы мы могли видеть луч света, когда часы проезжали мимо нас, мы бы увидели, как луч движется под углом к пластинам. Если вы запутались, посмотрите на рис. 4, и вы увидите, что и отправленный, и принятый луч происходят под солнцем, поэтому часы не двигаются. Теперь посмотрите на рис. 5, посланный луч появляется под солнцем, но отраженный луч возвращается, когда часы находятся под молнией, таким образом, часы движутся вправо. О чем это нам говорит? Мы знаем, что стоящие часы отправляют и получают с интервалом в 1 секунду. Мы также знаем, что скорость света постоянна. Независимо от того, где мы находимся, мы бы измерили луч света на рис. 4 и рис. 5, чтобы получить одинаковую скорость. Но рис. 5 выглядит так, будто свет прошел дальше, потому что стрелки длиннее. И угадайте, что именно так Свету потребовалось больше времени, чтобы совершить один полный цикл отправки и получения, но скорость света не изменилась. Поскольку свет распространялся дальше, а скорость не изменилась, это могло означать только то, что на это ушло больше времени. Помните, что скорость - это расстояние / время,
Дальше мы рассмотрим временные интервалы.

Временные интервалы​

Используя преобразование Лоренца, давайте поместим числа в этот пример. Допустим, часы на рис. 5 движутся вправо со скоростью 90% от скорости света. Вы, стоя на месте, измеряли бы время этих часов, пока они пролетали, как 2,29 секунды. Важно отметить, что любой, кто движется с часами на рис. 5, будет измерять только 1 секунду, потому что он будет ничем не отличаться от того, что он стоит рядом с часами на рис. 4. Следовательно, всадник постарел на 1 секунду, а вы постарели на 2,29 секунды. Это очень важное понятие. Если мы внимательно посмотрим на часы, мы обнаружим, что они на самом деле не измеряют то, что, как мы думаем, они делают. Часы записывают интервал между двумя пространственными событиями. Этот интервал может отличаться в зависимости от того, в какой системе координат находятся часы (т. Е. В какой системе отсчета). Если скорость света остается постоянной (имеет одно и то же измеренное значение независимо от системы отсчета), время больше не «просто» инструмент для измерения движения пространства. Это свойство, необходимое для определения и существования события. Помните, как было раньше, любое происшествие - это событие пространства и времени (следовательно, континуум пространства-времени).
Примечание: если читатель решит узнать больше о замедлении времени, абсолютно необходимо сделать упор на «правильное время». Эта концепция не обсуждается в этой статье, но «собственное время» является основой геометрии кадра СТО. Эта тема четко сформулирована и обсуждается в книге Тейлора и Уиллера «Физика пространства-времени».

Объединение энергии и массы​

Несомненно, самое известное уравнение из когда-либо написанных - E = mc². Это уравнение гласит, что энергия равна массе покоя объекта, умноженной на квадрат скорости света (c общепринято как скорость света). Что на самом деле говорит нам это уравнение? Математически, поскольку скорость света постоянна, увеличение или уменьшение массы покоя системы пропорционально увеличению или уменьшению энергии системы. Если это соотношение затем объединить с законом сохранения энергии и законом сохранения массы, можно получить эквивалентность. Эта эквивалентность приводит к единому закону сохранения энергии и массы. Давайте теперь рассмотрим пару примеров этих отношений ...

Объединение энергии и массы​

Вы должны легко понять, как система с очень маленькой массой может выделять феноменальное количество энергии (в E = mc², c² - огромное число). При делении ядра атом разделяется с образованием еще двух атомов. При этом испускается нейтрон. Сумма масс новых атомов и массы нейтрона меньше массы исходного атома. Куда пропала пропавшая масса? Он выделялся в виде тепла - кинетической энергии. Эта энергия в точности соответствует предсказанию Эйнштейна E = mc². Еще одно ядерное событие, которое соответствует уравнению Эйнштейна, - это синтез. Слияние происходит, когда легкие атомы подвергаются воздействию чрезвычайно высоких температур. Температура позволяет атомам сливаться вместе, образуя более тяжелый атом. Типичным примером является превращение водорода в гелий. Что важно, так это то, что масса нового атома меньше суммы масс более легких атомов. Как и при делении, «недостающая» масса выделяется в виде теплокинетической энергии.
Один из часто неверно интерпретируемых аспектов объединения энергии и массы заключается в том, что масса системы увеличивается по мере приближения системы к скорости света. Это не так. Допустим, в космосе летит ракетный корабль. Происходит следующее:

1. В систему необходимо добавить энергию, чтобы увеличить скорость корабля.
2. Большая часть добавленной энергии идет на повышение устойчивости системы к ускорению.
3. Меньше добавленной энергии уходит на увеличение скорости системы.
4. В конце концов, количество дополнительной энергии, необходимое для достижения скорости света, станет бесконечным.

На шаге 2 сопротивление системы ускорению - это измерение энергии и импульса системы. Обратите внимание, что в приведенных выше 4 шагах нет ссылки на массу. И в этом не должно быть необходимости.
Далее мы рассмотрим, почему одновременность двух событий не может происходить в мире специальной теории относительности.

Одновременные события​

Одновременности двух событий не бывает, если смотреть в разных системах отсчета. Если вы понимаете, о чем мы до сих пор говорили, эта концепция будет легкой. Сначала давайте проясним, о чем говорит эта концепция. Если Миган видит, что два события происходят в одно и то же время для ее системы отсчета, Гаррет, который движется по отношению к Миган, не увидит, что события происходят одновременно. Возьмем другой пример. Представьте, что Миган стоит снаружи и замечает две одинаковые пушки на расстоянии 100 ярдов друг от друга. Внезапно обе пушки стреляют одновременно, и ядра врезаются друг в друга ровно на половине своего расстояния, в 50 ярдах. Это неудивительно, поскольку пушки идентичны и стреляют пушечными ядрами с одинаковой скоростью. Сейчас же, Предположим, Гаррет очень быстро ехал на своем скейтборде к одной из пушек и находился прямо на линии огня обеих. Также предположим, что он был ровно посередине между двумя пушками, когда они стреляли. Что случилось бы? Пушечное ядро, к которому шел Гаррет, поразило бы его первым. Ему нужно было пройти меньше расстояния, так как он двигался к нему.
А теперь давайте заменим пушки лампочками, которые включаются одновременно в системе координат Миган. Если Гаррет едет на скейтборде так же, как и с пушечными ядрами, когда он достигает середины пути, он видит, что лампочка, к которой он движется, включается первой, а затем он видит лампочку, от которой он движется, включается последней. См. рис. 6 ниже для пояснения.
На рис. 6 лампочка справа загорается первой. Я показал, что Гаррет движется в том же направлении, что и линия расстояния между лампочками, и он смотрит на Луну. Как говорилось ранее, когда лампочки включаются в системе координат Миган, Гаррет увидит, что лампа справа включится раньше, чем лампа слева. Поскольку он движется к лампочке справа, ее свету требуется меньшее расстояние, чтобы добраться до него. Гаррет поспорил с Миган, что лампочки не включались одновременно, но, с точки зрения Миган, они включались. Надеюсь, вы увидите, как разные системы отсчета не позволяют наблюдать события одновременно.

3.0 - Развлечение со специальной теорией относительности​

Печально известный парадокс близнецов
Поскольку СР требует, чтобы два разных наблюдателя имели равные права на рассмотрение события в соответствии со своими системами отсчета, мы приходим ко многим не столь очевидным парадоксам. Приложив немного терпения, можно показать, что на большинство парадоксов есть логические ответы, согласующиеся как с прогнозируемым результатом СР, так и с наблюдаемым результатом. Давайте посмотрим на самый известный из этих парадоксов - Парадокс близнецов.
Предположим, что два близнеца, Джон и Хантер, живут в одной системе координат друг с другом на Земле. Джон сидит в космическом корабле, а Хантер стоит на земле. У каждого из близнецов есть идентичные часы, которые они теперь синхронизируют. После синхронизации Джон взлетает и уносится со скоростью 60% от скорости света. По мере того как Джон уезжает, оба близнеца имеют право рассматривать другого как испытывающего релятивистские эффекты (сокращение длины и замедление времени). Для простоты предположим, что у них есть точный метод измерения этих эффектов. Если Джон никогда не вернется, никогда не будет ответа на вопрос, кто на самом деле испытал последствия. Но что произойдет, если Джон развернется и вернется на землю? Оба согласятся, что Джон стареет медленнее, чем Хантер, таким образом, время для Джона шло медленнее, чем для Хантера. Чтобы доказать это, все, что им нужно сделать, это посмотреть на свои часы. Часы Джона покажут, что ему потребовалось меньше времени, чтобы пойти и вернуться, чем часы Хантера. Пока Хантер ждал, время для него летело быстрее, чем для Джона. Почему это так, если оба движутся по отношению друг к другу со скоростью 60% скорости света?
Первое, что нужно понять, это то, что ускорение в СТО немного сложно (на самом деле с ним лучше справляются в Общей теории относительности Эйнштейна - ОТО). Я не хочу сказать, что SR не может справиться с ускорением, потому что может. В SR вы можете описать ускорение в терминах локально "сопутствующих" инерциальных систем отсчета. Это позволяет SR видеть все движения как однородные, то есть с постоянной скоростью (без ускорения). Во-вторых, СТО - это «особая» теория. Под этим я подразумеваю, что это применимо в ситуациях, когда нет гравитации, следовательно, где пространство-время плоское. В ОТО Эйнштейн объединяет ускорение и гравитацию, так что на самом деле мое предыдущее утверждение излишне. В любом случае, отсутствие гравитации в СТО и является причиной того, что это называется «специальной теорией относительности». Сейчас же, Возвращаясь к парадоксу. В то время как оба действительно считали друг друга сокращающимся и замедляющимся, человек, который на самом деле подвергся ускорению, чтобы достичь высокой скорости, стал тем, кто постарел меньше. Если вы углубитесь в мир SR, вы поймете, что на самом деле важно не ускорение; это смена кадра. До тех пор, пока Джон и Хантер не вернутся в систему отсчета, где их относительное движение равно нулю (где они стоят рядом друг с другом), они всегда будут не соглашаться с тем, что другой сказал, что видел. Как ни странно это кажется, на самом деле конфликта нет - оба заметили, что другой испытал релятивистские эффекты. Один из методов, который используется для демонстрации динамики Парадокса близнецов, называется релятивистским эффектом Доплера. человек, который действительно прошел ускорение для достижения высокой скорости, тот, кто постарел меньше. Если вы углубитесь в мир SR, вы поймете, что на самом деле важно не ускорение; это смена кадра. До тех пор, пока Джон и Хантер не вернутся в систему отсчета, где их относительное движение равно нулю (где они стоят рядом друг с другом), они всегда будут не соглашаться с тем, что другой сказал, что видел. Как ни странно это кажется, на самом деле конфликта нет - оба заметили, что другой испытывал релятивистские эффекты. Один из методов, который используется для демонстрации динамики Парадокса близнецов, - это концепция, называемая релятивистским эффектом Доплера. человек, который действительно прошел ускорение для достижения высокой скорости, тот, кто постарел меньше. Если вы углубитесь в мир SR, вы поймете, что на самом деле важно не ускорение; это смена кадра. До тех пор, пока Джон и Хантер не вернутся в систему отсчета, где их относительное движение равно нулю (где они стоят рядом друг с другом), они всегда будут не соглашаться с тем, что другой сказал, что видел. Как ни странно это кажется, на самом деле конфликта нет - оба заметили, что другой испытал релятивистские эффекты. Один из методов, который используется для демонстрации динамики Парадокса близнецов, - это концепция, называемая релятивистским эффектом Доплера. на самом деле важно не ускорение; это смена кадра. До тех пор, пока Джон и Хантер не вернутся в систему отсчета, где их относительное движение равно нулю (где они стоят рядом друг с другом), они всегда будут не соглашаться с тем, что другой сказал, что видел. Как ни странно это кажется, на самом деле конфликта нет - оба заметили, что другой испытал релятивистские эффекты. Один из методов, который используется для демонстрации динамики Парадокса близнецов, - это концепция, называемая релятивистским эффектом Доплера. на самом деле важно не ускорение; это смена кадра. До тех пор, пока Джон и Хантер не вернутся в систему отсчета, где их относительное движение равно нулю (где они стоят рядом друг с другом), они всегда будут не соглашаться с тем, что другой сказал, что видел. Как ни странно это кажется, на самом деле конфликта нет - оба заметили, что другой испытал релятивистские эффекты. Один из методов, который используется для демонстрации динамики Парадокса близнецов, - это концепция, называемая релятивистским эффектом Доплера. конфликт - оба заметили, что другой испытал релятивистские эффекты. Один из методов, который используется для демонстрации динамики Парадокса близнецов, - это концепция, называемая релятивистским эффектом Доплера. конфликт - оба заметили, что другой испытал релятивистские эффекты. Один из методов, который используется для демонстрации динамики Парадокса близнецов, - это концепция, называемая релятивистским эффектом Доплера.
Мы рассмотрим эффект Доплера дальше.

Эффект Доплера​

Эффект Доплера в основном говорит о том, что наблюдается сдвиг частоты электромагнитных волн из-за движения. Направление сдвига зависит от того, движется ли относительное движение к вам или от вас (или наоборот). Кроме того, амплитуда смещения зависит от скорости источника (или скорости приемника). Хорошим началом для понимания эффекта Доплера было бы сначала взглянуть на звуковые волны. Существует доплеровский сдвиг, связанный со звуковыми волнами, который вы должны легко распознать. Когда источник звука приближается к вам, частота звука увеличивается, и аналогично, когда источник звука удаляется от вас, частота звука уменьшается. Представьте себе приближающийся поезд, который свистит. По мере приближения поезда вы слышите свисток как высокую ноту. Когда поезд проезжает мимо, вы можете услышать изменение звука свистка на более низкую. Другой пример происходит, когда автомобили едут по ипподрому. Вы можете услышать определенный сдвиг в звуке автомобиля, когда он проезжает там, где вы стоите. Последний пример - изменение тона, которое вы слышите, когда вас проезжает полицейская машина с включенной сиреной. Я уверен, что в какой-то момент в нашей жизни все мы имитировали звук проезжающей машины или проезжающей полицейской машины; мы имитировали доплеровский сдвиг. Этот доплеровский сдвиг также влияет на свет (электромагнитное излучение) таким же образом, за одним критическим исключением; сдвиг не позволит вам определить, приближается ли источник света к вам или вы приближаетесь к источнику, и наоборот для удаления. При этом давайте посмотрим на рис. 7 ниже. Другой пример происходит, когда автомобили едут по ипподрому. Вы можете услышать определенный сдвиг в звуке автомобиля, когда он проезжает там, где вы стоите. Последний пример - изменение тона, которое вы слышите, когда вас проезжает полицейская машина с включенной сиреной. Я уверен, что в какой-то момент в нашей жизни все мы имитировали звук проезжающей машины или проезжающей полицейской машины; мы имитировали доплеровский сдвиг. Этот доплеровский сдвиг также влияет на свет (электромагнитное излучение) таким же образом, за одним критическим исключением; сдвиг не позволит вам определить, приближается ли источник света к вам или вы приближаетесь к источнику, и наоборот для удаления. При этом давайте посмотрим на рис. 7 ниже. Другой пример происходит, когда автомобили едут по гоночному треку. Вы можете услышать определенный сдвиг в звуке автомобиля, когда он проезжает там, где вы стоите. Последний пример - изменение тона, которое вы слышите, когда вас проезжает полицейская машина с включенной сиреной. Я уверен, что в какой-то момент в нашей жизни все мы имитировали звук проезжающей машины или проезжающей полицейской машины; мы имитировали доплеровский сдвиг. Этот доплеровский сдвиг также влияет на свет (электромагнитное излучение) таким же образом, за одним критическим исключением; сдвиг не позволит вам определить, приближается ли источник света к вам или вы приближаетесь к источнику, и наоборот для удаления. При этом давайте посмотрим на рис. 7 ниже. Последний пример - изменение тона, которое вы слышите, когда вас проезжает полицейская машина с включенной сиреной. Я уверен, что в какой-то момент в нашей жизни все мы имитировали звук проезжающей машины или проезжающей полицейской машины; мы имитировали доплеровский сдвиг. Этот доплеровский сдвиг также влияет на свет (электромагнитное излучение) таким же образом, за одним критическим исключением; сдвиг не позволит вам определить, приближается ли источник света к вам или вы приближаетесь к источнику, и наоборот для удаления. При этом давайте посмотрим на рис. 7 ниже. Последний пример - изменение тона, которое вы слышите, когда вас проезжает полицейская машина с включенной сиреной. Я уверен, что в какой-то момент в нашей жизни все мы имитировали звук проезжающей машины или проезжающей полицейской машины; мы имитировали доплеровский сдвиг. Этот доплеровский сдвиг также влияет на свет (электромагнитное излучение) таким же образом, за одним критическим исключением; сдвиг не позволит вам определить, приближается ли источник света к вам или вы приближаетесь к источнику, и наоборот для удаления. При этом давайте посмотрим на рис. 7 ниже. сдвиг не позволит вам определить, приближается ли источник света к вам или вы приближаетесь к источнику, и наоборот для удаления. При этом давайте посмотрим на рис. 7 ниже. сдвиг не позволит вам определить, приближается ли источник света к вам или вы приближаетесь к источнику, и наоборот для удаления. При этом давайте посмотрим на рис. 7 ниже.

В верхней части рис. 7 вы можете видеть неподвижный источник света, излучающий свет во всех направлениях. Во второй части вы можете видеть, что источник «S» движется вправо, а световые волны смещаются (они выглядят так, как будто они сжимаются спереди и тянутся сзади). Если вы приближаетесь к источнику света или источник света приближается к вам, частота света будет увеличиваться (обратите внимание, что волны спереди ближе друг к другу, чем сзади). Обратное верно для источника света, который удаляется от вас или от которого вы удаляетесь. Важность изменения частоты заключается в том, что если частота увеличивается, то время, необходимое для одного полного цикла (колебания), меньше. Точно так же, если частота уменьшается, время, необходимое для одного полного цикла, увеличивается.

Теперь применим эту информацию к Парадоксу близнецов. Напомним, что Джон улетел от Хантера со скоростью 60% от скорости света. Я выбрал эту скорость, потому что соответствующий коэффициент релятивистского доплеровского сдвига составляет «2 раза» для приближающегося источника и «1/2» для удаляющегося источника. Это означает, что если источник приближается к вам, частота будет казаться удвоенной (тогда время уменьшается вдвое), а если источник удаляется от вас, частота будет казаться уменьшенной вдвое (тогда время удвоится). (Точно так же я мог бы использовать любую скорость для парадокса; например, 80% скорости света привело бы к доплеровскому сдвигу на «3» и «1/3» для приближения и удаления соответственно). Помните, что направление сдвига зависит от направления источника,
Мы рассмотрим доплеровский сдвиг дальше.

Доплеровский сдвиг​

Давайте совершим еще одно путешествие с близнецами, но на этот раз Джон уедет на 12 часов и на 12 часов назад, если судить по его часам. Каждый час он будет посылать Хантеру радиосигнал, сообщающий ему час. Радиосигнал - это просто еще одна форма электромагнитного излучения; следовательно, он также движется со скоростью света. Что мы получим, когда Джон уйдет от Хантера? Когда часы Джона показывают «1 час», он посылает первый сигнал. Поскольку он удаляется от Хантера со скоростью 60% от скорости света, релятивистский эффект Доплера заставляет Хантера наблюдать, как передача Джона составляет ½ исходного значения. Из нашего обсуждения выше, ½ частоты означает, что время, которое требуется, в два раза больше, поэтому Хантер получает сигнал Джона «1 час», когда его часы показывают «2 часа». Когда Джон посылает сигнал "2 часа", Охотник получает его в 4 часа. Таким образом, вы можете видеть, как развиваются отношения. На каждый 1-часовой сигнал часов Джона затраченное время для Хантера составляет 2 часа. Когда часы Джона показывают «12 часов», он отправил 12 сигналов. Хантер, с другой стороны, получил 12 сигналов, но все они были разницей в 2 часа… таким образом, для Хантера прошло 24 часа. Теперь Джон поворачивается и возвращается, посылая сигналы каждый час так же, как и раньше. Поскольку он приближается к Охотнику, доплеровский сдвиг теперь заставляет Охотника наблюдать, что частота в два раза превышает исходное значение. Двойная частота равна половине времени, поэтому Хантер получает сигналы Джона «1 час» с 30-минутными интервалами. Когда 12-часовой обратный путь закончился, Джон отправил 12 сигналов. Хантер получил 12 сигналов, но их разделяло 30 минут, Таким образом, для Хантера прошло 6 часов. Если мы теперь просуммируем время, прошедшее для обоих близнецов, то увидим, что для Джона прошло 24 часа (12 + 12), а для Хантера - 30 часов (24 + 6). Таким образом, Хантер теперь старше своего однояйцевого близнеца Джона. Если бы Джон путешествовал дальше и быстрее, замедление времени было бы еще больше. Посмотрите на близнецов снова, но на этот раз позвольте Джону путешествовать на 84 часа назад и на 84 часа назад (по его часам) со скоростью 80% от скорости света. Общая продолжительность поездки Джона составит 168 часов, а общее время, затраченное на Хантера, составит 280 часов; Джона не было по часам на 1 неделю, но Хантер ждал 1 неделю 4 дня и 16 часов по своим часам. Помните, что Охотник будет получать исходящие сигналы Джона на половине частоты, что означает в два раза больше времени. Следовательно, Хантер получает Джона ' s 84 часовых сигнала каждые 3 часа, всего 252 часа (3 - релятивистский доплеровский сдвиг для 80% скорости света). Точно так же Хантер получает 84 почасовых сигнала о возвращении Джона каждые 20 минут, в общей сложности 28 часов (20 минут - это 1/3 релятивистского доплеровского сдвига для возврата). Теперь вы знаете, что общий путь туда и обратно с точки зрения Хантера, 252 + 28 = 280 часов или 1 неделя, 4 дня и 16 часов. Джон, с другой стороны, провел 84 часа в пути и 84 часа назад, в общей сложности 168 часов или 1 неделю. 252 + 28 = 280 часов или 1 неделя 4 дня 16 часов. Джон, с другой стороны, провел 84 часа в пути и 84 часа назад, в общей сложности 168 часов или 1 неделю. 252 + 28 = 280 часов или 1 неделя 4 дня 16 часов. Джон, с другой стороны, провел 84 часа в пути и 84 часа назад, в общей сложности 168 часов или 1 неделю.
Дальше мы подробнее рассмотрим парадокс близнецов.

Парадокс близнецов​

Теперь давайте снова посмотрим на близнецов, но на этот раз Хантер будет посылать сигнал каждый час по своим часам. Что увидит Джон? Когда Хантер видит, что исходящий участок пути Джона заканчивается, его часы показывают 15 часов, и он послал 15 сигналов. Джон, однако, скажет, что он получил 6 сигналов, разделенных 2-часовым интервалом (релятивистский доплеровский сдвиг), в общей сложности 12 часов. Что случилось с другими 9 сигналами? Они все еще в пути к Джону. Следовательно, когда Джон переходит на свой обратный этап, он теперь обнаружит недостающие 9 сигналов плюс 15 сигналов, которые Хантер отправил за 15 часов, зафиксированных его часами для ответного этапа. Таким образом, Джон получает 24 сигнала с интервалом в 30 минут, что в сумме составляет 12 часов. Как и в предыдущем примере, все эти 24 сигнала были сдвинуты по допплеровскому закону на более высокую частоту, потому что теперь к ним приближается Джон. Теперь, если мы просчитаем всю поездку, Хантер посылал один сигнал каждый час в течение тридцати часов, но Джон получил 6 сигналов с интервалом в 2 часа и 24 сигнала с интервалом в 30 минут. Хантер отправил 30 сигналов за 30 часов; Джон получил 30 сигналов за 24 часа. Результат тот же, что и раньше, но близнецы не договариваются, когда закончился первый и начался последний. Итак, из этого мы можем сделать вывод, что смена кадра для Джона (с исходящего на возвращение) - это то, что отличает его от Хантера. Для Хантера вообще ничего не меняется. В любом случае вы посмотрите на это; он ждет 30 часов без изменений. Джон, однако, меняется. Он переходит от кадра, в котором он уходит, к кадру, в котором он возвращается. Именно это изменение нарушает симметрию между Джоном и Хантером, тем самым устраняя и парадокс. но Джон получил 6 сигналов с интервалом в 2 часа и 24 сигнала с интервалом в 30 минут. Хантер отправил 30 сигналов за 30 часов; Джон получил 30 сигналов за 24 часа. Результат тот же, что и раньше, но близнецы не договариваются, когда закончилась первая и началась последняя. Таким образом, из этого мы можем сделать вывод, что смена кадра для Джона (с исходящего на возвращение) - это то, что отличает его от Хантера. Для Хантера вообще ничего не меняется. В любом случае вы посмотрите на это; он ждет 30 часов без изменений. Джон, однако, меняется. Он переходит от кадра, в котором он уходит, к кадру, в котором он возвращается. Именно это изменение нарушает симметрию между Джоном и Хантером, тем самым устраняя и парадокс. но Джон получил 6 сигналов с интервалом 2 часа и 24 сигнала с интервалом 30 минут. Хантер отправил 30 сигналов за 30 часов; Джон получил 30 сигналов за 24 часа. Результат тот же, что и раньше, но близнецы не договариваются, когда закончилась первая и началась последняя. Итак, из этого мы можем сделать вывод, что смена кадра для Джона (с исходящего на возвращение) - это то, что отличает его от Хантера. Для Хантера вообще ничего не меняется. В любом случае вы посмотрите на это; он ждет 30 часов без изменений. Джон, однако, меняется. Он переходит от кадра, в котором он уходит, к кадру, в котором он возвращается. Именно это изменение нарушает симметрию между Джоном и Хантером, тем самым устраняя и парадокс. Джон получил 30 сигналов за 24 часа. Результат тот же, что и раньше, но близнецы не договариваются, когда закончилась первая и началась последняя. Итак, из этого мы можем сделать вывод, что смена кадра для Джона (с исходящего на возвращение) - это то, что отличает его от Хантера. Для Хантера вообще ничего не меняется. В любом случае вы посмотрите на это; он ждет 30 часов без изменений. Джон, однако, меняется. Он переходит от кадра, в котором он уходит, к кадру, в котором он возвращается. Именно это изменение нарушает симметрию между Джоном и Хантером, тем самым устраняя и парадокс. Джон получил 30 сигналов за 24 часа. Результат тот же, что и раньше, но близнецы не договариваются, когда закончилась первая и началась последняя. Таким образом, из этого мы можем сделать вывод, что смена кадра для Джона (с исходящего на возвращение) - это то, что отличает его от Хантера. Для Хантера вообще ничего не меняется. В любом случае вы посмотрите на это; он ждет 30 часов без изменений. Джон, однако, меняется. Он переходит от кадра, в котором он уходит, к кадру, в котором он возвращается. Именно это изменение нарушает симметрию между Джоном и Хантером, тем самым устраняя и парадокс. вообще ничего не меняется. В любом случае вы посмотрите на это; он ждет 30 часов без изменений. Джон, однако, меняется. Он переходит от кадра, в котором он уходит, к кадру, в котором он возвращается. Именно это изменение нарушает симметрию между Джоном и Хантером, тем самым устраняя и парадокс. вообще ничего не меняется. В любом случае вы посмотрите на это; он ждет 30 часов без изменений. Джон, однако, меняется. Он переходит от кадра, в котором он уходит, к кадру, в котором он возвращается. Именно это изменение нарушает симметрию между Джоном и Хантером, тем самым устраняя и парадокс.

Прежде чем перейти к следующей концепции, я хочу убедиться, что кое-что о СТО и скорости света правильно понято. Во-первых, СТО предсказывает гибель для всего, масса которого приближается к скорости света, из-за более низкой скорости из-за сокращения длины и замедления времени, но допускает скорости, превышающие скорость света. Считайте скорость света препятствием. SR допускает существование по обе стороны барьера, но ни одна из сторон не может перейти на другую. На данный момент ничего не было обнаружено на стороне сверхсветовых, и все, что у нас есть, - это теории о частицах (тахионах), которые могут иметь возможность там существовать. Может быть, однажды кто-нибудь обнаружит их существование.

Во-вторых, нельзя суммировать скорости из другой системы отсчета. Например, если я бегу 5 миль / час и в то же время бросаю камень со скоростью 5 миль / час, единственная причина, по которой вы (стоя на месте) можете сказать, что камень движется со скоростью 10 миль / час, - это потому, что скорость настолько мала с относительно скорости света. Мы используем преобразования Лоренца для преобразования одного кадра в другой, используя относительную скорость кадров. Эти преобразования математически говорят нам, что, хотя на малых скоростях ошибка прямого сложения слишком мала, чтобы мы могли ее обнаружить, на очень высоких скоростях ошибка станет довольно большой. Итак, классическая механика, которая учит нас суммировать эти скорости, на самом деле неверна. Мы можем это сделать, но это случай получения правильного ответа по неправильной причине.
Мы рассмотрим парадокс близнецов и одновременность дальше.

Парадокс близнецов с использованием одновременных событий​

Одновременность (или ее отсутствие) - отличный инструмент для понимания многих парадоксов, связанных с СР. И, если я хочу быть внимательным, следует учитывать одновременность всех событий SR между отдельными системами отсчета. Давайте еще раз посетим парадокс близнецов (Джон путешествует 12 часов со скоростью 60% от скорости света и возвращается с той же скоростью). По сути, необходимо рассмотреть три системы отсчета. Во-первых, близнецы находятся на Земле без относительной скорости между ними. Во-вторых, Джон отправляется в завершающий этап своего путешествия. В-третьих, Джон (мгновенно обернувшись) отправляется в обратный путь. Я использую тот же пример, что и раньше, за исключением того, что использую числа из преобразований Лоренца в отличие от релятивистского доплеровского сдвига для объяснения наблюдаемых явлений.
1-й кадр:
Хантер и Джон соглашаются во всем, что они наблюдают. Это должно быть легко понять, поскольку между двумя близнецами нет относительной скорости. Они вместе движутся.
2-й кадр:
Джон уезжает на 12 часов по своим часам. Имея в виду два постулата, мы понимаем, что Хантер наблюдает замедление времени в исходящей поездке Джона. Таким образом, если Джон записывает 12 часов, Хантер записывает 15 часов. Помните, что при 60% скорости света замедление времени будет 80%. Следовательно, если Джон записывает свое время как 12 часов, это 80% от того, что записывает Хантер - 15 часов. Но что Джон наблюдает за время Хантера? Он отмечает, что замедление времени влияет на Хантера; поэтому он измеряет свое путешествие как 12 часов, но он наблюдает 9,6 часа (80% времени своих часов) для времени Хантера.
Итоги 2-го кадра:
Хантер считает, что его время составляет 15 часов, а время Джона - 12 часов. Джон измеряет свое время как 12 часов, а время Хантера - 9,6 часа.
Очевидно, что событие, являющееся окончанием исходящей поездки, не является одновременным. Джон думает, что время Хантера составляет 9,6 часа, но Хантер думает, что его время составляет 15 часов. Вдобавок они оба думают, что время Джона составляет 12 часов, что не согласуется ни с одним из первых двух времен.
Мы рассмотрим результаты этого сценария дальше.

Отсутствие одновременности​

3-й кадр:
С точки зрения Хантера, ничего нового не произошло. Он оставался в исходной системе координат, и Джон вернулся с той же скоростью, с которой ушел. Таким образом, Хантер рассчитал, что обратная поездка займет 15 часов для его кадра (как и исходящая поездка), и наблюдает, что поездка занимает 12 часов для Джона. С точки зрения Джона, он столкнулся с серьезным изменением. Он фактически сменил кадры с одного путешествия на другое. Теперь, в начале обратного пути, когда Джон смотрит на свои часы, он наблюдает, как его часы показывают 12 часов, а часы Хантера показывают 20,4 часа. Думать об этом. Теперь Джон показывает, что часы Хантера выросли с 9,6 до 20,4 часа. Как это может быть? Когда Джон переключился со 2-го кадра на 3-й, установившаяся симметрия между Хантером и Джоном была нарушена. Таким образом, каждый считает свое время неизменным. А поскольку именно Джон изменил кадры, он показал больше прошедшего времени Хантеру. С этого момента все в порядке. Обратный путь Джон рассчитывает на 12 часов, но для Хантера он наблюдает 9,6 часа. Опять же, давайте уберем это ...
Итоги 3-го кадра:
Хантер измеряет свое время как 15 часов, но он измеряет время Джона как 12 часов. Джон измеряет свое время как 12 часов, но он измеряет время Хантера как 9,6 часа. Помните, что этот 9.6 предназначен только для обратного пути после смены кадра.
Итоги поездки:
Хантер измерил свое время как 15 часов на исходящий путь + 15 часов на обратный путь… 30 часов.
Хантер заметил, что время Джона составляло 12 часов в пути + 12 часов в обратном направлении… 24 часа.
Джон рассчитал, что его время составляет 12 часов в пути + 12 часов в обратном направлении… 24 часа.
Джон заметил, что время Хантера составило 20,4 часа (после исходящей поездки и смены кадра) + 9,6 часа на обратный путь… 20,4 + 9,6 = 30 часов.
Сможете ли вы найти какие-либо события, в которых и Джон, и Хантер согласовывают время для себя и другого? Нет, не можешь. Отсутствие одновременности - ключ к парадоксу. Оба близнеца измеряют и наблюдают. К сожалению, они не измеряют и не наблюдают одни и те же события. Для них невозможно считать что-то вроде конца первого этапа одновременным, если каждый из них видит, что это происходит в разное время для Хантера. Интересно отметить, что результаты такие же, как результаты релятивистского доплеровского сдвига. Здесь есть закономерность? SR позволяет использовать различные методы для решения проблем. В этом случае использование пространственно-временных диаграмм (это снова те слова) ясно показало бы каждую точку, о которой мы говорили.
Дальше мы рассмотрим проблемы, связанные с парадоксом близнецов.

Парадокс близнецов​

У многих людей возникают проблемы с парадоксом близнецов из-за способа обработки смены кадра. В этом случае скачок на часах Джона для Хантера после смены кадра (с 9,6 до 20,4 часа) является проблемой. Здесь действительно нет проблем. Если вы хотите интегрировать ускорение для использования различных инерциальных кадров во время разворота, это можно сделать (с теми же результатами). Другой распространенный подход - представить кого-то еще в космосе, который проходит мимо Джона, когда он достигает точки своего поворота. Этот человек движется к Хантеру с той же скоростью, что и Джон, так что нет необходимости рассматривать Джона дальше. Ключевой факт заключается в том, что если мы затем вернемся в кадр запасного и посмотрим на его часы для Хантера, это покажет, что некоторое количество времени уже было записано, когда запасной начал свое путешествие к Хантеру. Как далеко нам нужно уйти? Поскольку в исходящей поездке Джон уехал на 12 часов, мы должны вернуться на 12 часов назад в кадре замены. В этой отправной точке для запасного его часы для Хантера будут показывать 10,8 часа. Это очень важно. Это ясно показывает, что оба близнеца или близнец и заместитель наблюдают, что у другого медленнее. Большой сдвиг происходит при изменении системы координат. Это означает, что оба наблюдают, что у другого есть более медленное время во время фактических исходящих и обратных поездок, но есть сдвиг во время смены кадра, который более чем компенсирует счет Джона о медленно бегущих часах Хантера. После смены рамы повреждение нанесено. Джон по-прежнему будет наблюдать, как часы Хантера идут медленно, но они никогда не замедлятся настолько, чтобы компенсировать 10,8 часа, которые были восприняты во время смены кадра. На этот раз прыжок - физическое явление? Нет. Временной скачок происходит потому, что когда Джон меняет кадры, он больше не использует то же событие в качестве ссылки. Когда Джон совершил свой поворот, событие в кадре Хантера, которое, по мнению Джона, было одновременным с его поворотом, изменилось. Смена кадра Джона вызвала эту путаницу, потому что его новый кадр использует другое время для события в кадре Хантера. Более ясно, поворотное событие в кадре Хантера имеет различную временную стоимость для исходящего и обратного этапов, как это воспринимается Джоном. Имейте в виду, что в приведенных выше ссылках на фрейм Хантера я действительно говорю о том, что Джон думает о Хантере. s время кадра будет. Эта разница во времени очевидна только для Джона, потому что это изменение его кадра вызывает несоответствие. В кадре Хантера ничего не меняется для Хантера, когда Джон меняет кадр. И здесь снова, осознавая, что два события не одновременны, парадокс разрешается. Я пытаюсь подчеркнуть, что существует множество способов справиться с парадоксом. Все методы дают один и тот же результат, но если вы действительно учитываете одновременность ситуации, тогда становится более ясным, как и почему. Я пытаюсь подчеркнуть, что существует множество способов справиться с парадоксом. Все методы дают один и тот же результат, но если вы действительно учитываете одновременность ситуации, тогда становится более ясным, как и почему. Я пытаюсь подчеркнуть, что существует множество способов справиться с парадоксом. Все методы дают один и тот же результат, но если вы действительно учитываете одновременность ситуации, тогда становится более ясным, как и почему.
Мы рассмотрим путешествия во времени дальше.

Путешествие во времени​

Теперь, когда вы познакомились с концепциями теории, давайте кратко рассмотрим связь между путешествиями во времени и специальной теорией относительности. Если вы помните результат парадокса близнецов, вы должны согласиться с тем, что путешествие в будущее возможно даже со скоростью, с которой путешествуют наши астронавты. Конечно, они, вероятно, выиграют всего несколько наносекунд, но когда они вернутся, время на Земле опережает их системное время. Таким образом, они вернулись в будущее. Что касается путешествий во времени, то специальная теория относительности не так хороша, как движение вперед. Давайте посмотрим на этот подход.

Многие творческие умы задавались вопросом, что, поскольку время замедляется по мере приближения к скорости света, если бы вы могли найти способ путешествовать со скоростью, превышающей скорость света, смогли бы вы отправиться в прошлое? Если я верю, что специальная теория относительности верна, то я также верю, что произойдут следующие события. Я предполагаю, что для того, чтобы путешествовать со скоростью, превышающей скорость света, в какой-то момент вам нужно будет двигаться точно со скоростью света. Например, вы не можете проехать 51 милю / час, не проехав в какой-то момент 50 миль / час, конечно, при условии, что вы изначально двигались со скоростью 50 миль / час или меньше. Теперь СТО говорит нам, что со скоростью света время останавливается, ваша длина сокращается до нуля, и ваше сопротивление ускорению становится бесконечным, требуя бесконечной энергии (как это видно из системы отсчета, которая не движется вместе с системой). Эти условия кажутся не очень подходящими для жизни. Таким образом, я прихожу к выводу, что путешествие во времени в прошлое, используя концепции СТО, связано с некоторыми серьезными проблемами, которые необходимо преодолеть.

Вывод​

СТО имеет дело с сокращениями и расширениями, которые не согласуются с нашими здравыми представлениями о Вселенной. Фактически, они кажутся почти нелепыми. Тем не менее, было несколько наблюдений, которые согласуются с предсказаниями СТО. Таким образом, пока теория не окажется ошибочной или пока более простая теория не даст тех же результатов, СТО будет сохранять свои позиции как лучшая теория.
Вот пять концепций, которые вы обнаружили в этой статье:

• Абсолютной (полностью стационарной) системы координат не существует.
• Законы физики одинаково применимы ко всем системам отсчета.
• Скорость света постоянна во всех системах отсчета.
• Между отдельными системами отсчета нет одновременности событий.
• Вы никогда не слишком стары, чтобы учиться.

По мере того, как вы стремитесь лучше понять СР, не становитесь жертвой этих ошибочных заявлений:

• Время замедляется по мере увеличения скорости. (Только при просмотре с другой точки зрения)
• Объекты сокращаются по мере увеличения скорости. (То же, что и выше)
• SR не справляется с ускорением. (Самое большое заблуждение о SR)
• Масса увеличивается со скоростью. (Увеличивается энергия, а не масса покоя)
• Ничто не может двигаться быстрее скорости света. Пересечение светового барьера с большей или меньшей скорости запрещено.

Красота специальной теории относительности в том, что она дает нам законы, по которым мы можем объединить пространство и время, а также энергию и массу. Специальная теория относительности - определенно игровая площадка для думающих людей.

• Относительность и сверхсветовые путешествия
• Великолепная книга Гэри Зукава «Танцующие мастера Ву Ли: обзор новой физики», которая дает углубленное нематематическое обсуждение специальной теории относительности, общей теории относительности и физики элементарных частиц.
• Еще одна прекрасная книга, которая предоставляет более подробный анализ, - это «Физика пространства-времени: введение в специальную теорию относительности» Эдвина Ф. Тейлора и Джона Арчибальда Уиллера.