Што такое рэлятывісцкі эфекты?

Класічная фізіка прытрымліваецца думкі, што любыя назіральнікі, незалежна ад месца знаходжання, будуць атрымліваць адны і тыя ж вынікі ў сваіх вымярэннях часу і працягласці. Прынцып адноснасці абвяшчае, што назіральнікі могуць атрымліваць розныя вынікі, а падобныя скажэнні носяць назву "рэлятывісцкі эфекты". Пры набліжэнні да хуткасці святла ньютоновской фізіка адыходзіць у бок.

хуткасць святла

Вучоны А. Майкельсон, які праводзіў ў 1881 г. вымярэння хуткасці святла, зразумеў, што гэтыя вынікі не будуць залежаць ад хуткасці, з якой рухаецца крыніца выпраменьвання. Сумесна з Э.В. Морлі Майкельсон ў 1887 годзе правёў яшчэ адзін эксперымент, пасля якога ўсім свеце стала ясна: усё роўна, у якім кірунку праводзіцца вымярэнне, хуткасць святла ўсюды і заўсёды аднолькавая. Вынікі гэтых даследаванняў ішлі насуперак з уяўленнямі фізікі таго часу, бо калі святло рухаецца ў пэўнай асяроддзі (эфіры), а планета рухаецца ў гэтай жа асяроддзі, вымярэння ў розных напрамках ніяк не могуць быць аднолькавымі.

Пазней французскі матэматык, фізік і астраном Жуль Анры Пуанкаре стаў адным з заснавальнікаў тэорыі адноснасці. Ён развіваў тэорыю Лорэнца, згодна з якой існуючы эфір нерухомы, таму хуткасць святла адносна яго не залежыць ад хуткасці крыніцы. У рухаюцца сістэмах адліку выконваюцца пераўтварэнні Лорэнца, а не галілеевых (пераўтварэння Галілея, прынятыя да таго часу ў ньютоновской механікі). З гэтага часу галілеевых пераўтварэнні сталі прыватным выпадкам пераўтварэнняў Лорэнца, пры пераходзе ў іншую інерцыйных сістэму адліку пры малой (у параўнанні з хуткасцю святла) хуткасці.

скасаванне эфіру

Рэлятывісцкі эфект скарачэння даўжыні, званы так жа Лоренцевым скарачэннем, складаецца ў тым, што для назіральніка прадметы, якія рухаюцца адносна яго, будуць валодаць меншай даўжынёй.

Істотны ўклад у тэорыю адноснасці унёс Альберт Эйнштэйн. Ён цалкам скасаваў такі тэрмін як "эфір", да гэтага часу присутствавший ў развагах і разліках ўсіх фізікаў, а ўсе паняцці пра ўласцівасці прасторы і часу ён пераклаў у кінематыку.

Пасля таго, як у свет выйшлі працы Эйнштэйна, Пуанкаре не толькі спыніў пісаць навуковыя працы на гэтую тэму, але і наогул не згадваў імя свайго калегі ні ў адной са сваіх работ, выключаючы адзіны выпадак спасылкі на тэорыю фотаэфекту. Пуанкаре працягнуў абмяркоўваць ўласцівасці эфіру, катэгарычна адмаўляючы любыя публікацыі Эйнштэйна, хоць пры гэтым да самога вялікаму навукоўцу ставіўся з павагай і нават даў яму бліскучую характарыстыку, калі адміністрацыя Вышэйшага політэхнічнага вучылішча ў Цюрыху хацела запрасіць Эйнштэйна стаць прафесарам навучальнай установы.

тэорыя адноснасці

Нават многія з тых, хто зусім не ў ладах з фізікай і матэматыкай, хаця б у агульных рысах ўяўляе, што такое тэорыя адноснасці, бо гэта, магчыма, самая знакамітая з навуковых тэорый. Яе пастулаты бураць звычайныя ўяўленні аб часе і прасторы, і хоць усе школьнікі вывучаюць тэорыю адноснасці, але каб зразумець яе ва ўсёй паўнаце недастаткова проста ведаць формулы.

Эфект запаволення часу праверылі на эксперыменце са звышгукавым самалётам. Дакладныя атамныя гадзіны, якія знаходзяцца на яго борце, пасля вяртання сталі адставаць на долі секунды. Калі маецца два назіральнікі, адзін з якіх стаіць на месцы, а другі рухаецца з некаторай хуткасцю адносна першага, час у назіральніка, які нерухомы, будзе ісці хутчэй, а для які рухаецца аб'екта хвіліна будзе доўжыцца ледзь даўжэй. Аднак калі які рухаецца назіральнік вырашыць вярнуцца і зверыць час, апынецца, што яго гадзіннік паказвае крыху менш, чым першыя. Гэта значыць, прайшоўшы значна большае адлегласць па шкале прасторы, ён "пражыў" менш часу, пакуль рухаўся.

Рэлятывісцкі эфекты ў жыцці

Многія лічаць, што назіраць рэлятывісцкі эфекты можна толькі пры дасягненні хуткасці святла або пры набліжэнні да яе, і гэта сапраўды так, аднак назіраць іх можна, не толькі разагнаўшы свой касмічны карабель. На старонках навуковага часопіса Physical Review Letters можна прачытаць аб тэарэтычнай працы шведскіх навукоўцаў. Яны пісалі пра тое, што рэлятывісцкі эфекты прысутнічаюць нават у проста акумулятары для аўтамабіля. Працэс магчымы дзякуючы хуткаму руху электронаў атамаў свінцу (дарэчы, менавіта яны ёсць прычына большай частцы напружання ў клеммах). Гэта таксама тлумачыць, чаму, нягледзячы на падабенства свінцу і волава, акумулятары на аснове волава не працуюць.

незвычайныя металы

Хуткасць кручэння электронаў у атамах даволі невысокая, таму і тэорыя адноснасці проста не працуе, аднак ёсць некаторыя выключэнні. Калі прасоўвацца ўсё далей і далей па табліцы Мендзялеева, становіцца зразумела, што ў ёй даволі шмат элементаў цяжэй свінцу. Вялікая маса ядраў ўраўнаважваецца за кошт павышэння хуткасці руху электронаў, прычым яна можа нават набліжацца да светлавой.

Калі разгледзець гэты аспект з боку тэорыі адноснасці, то становіцца ясна, што ў электронаў у такім выпадку павінна быць вялікая маса. Толькі так можна захаваць кутняй момант, але арбіталей будзе сціскацца па радыусе, і гэта сапраўды назіраецца ў атамах цяжкіх металаў, а вось арбіталь "павольных" электронаў не змяняюцца. Гэты рэлятывісцкі эфект назіраецца ў атамах некаторых металаў на s-арбіталей, якія маюць правільную, сферычных сіметрычную форму. Лічыцца, што менавіта ў выніку дзеяння тэорыі адноснасці ртуць мае вадкае агрэгатны стан пры пакаёвай тэмпературы.

касмічныя падарожжы

Аб'екты ў космасе знаходзяцца адзін ад аднаго на велізарных адлегласцях, і нават пры руху з хуткасцю святла спатрэбіцца вельмі шмат часу, каб пераадолець іх. Напрыклад, каб дабрацца да Альфы Цэнтаўра - найбліжэйшай да нас зоркі, касмічнаму караблю, які мае хуткасць святла, спатрэбіцца чатыры гады, а каб дасягнуць суседняй з намі галактыкі - Вялікага Магеланава Воблака - спатрэбіцца 160 тысяч гадоў.

Злятаць да Альфы Цэнтаўра і назад яшчэ можна, бо спатрэбіцца ўсяго восем гадоў, а для насельнікаў карабля, што адчуваюць эфект запаволення часу, гэты тэрмін будзе значна менш, аднак пасля вяртання з падарожжа ў суседнюю галактыку касманаўты выявяць, што на роднай планеце прайшло ўжо трыста дваццаць тысяч гадоў, і чалавечая цывілізацыя, магчыма, ужо даўно перастала існаваць. Такім чынам, рэлятывісцкі эфекты дазваляюць людзям перамяшчацца ў часе. Гэта лічыцца адной з галоўных праблем заваявання космасу, бо які сэнс пакараць касмічныя прасторы, калі не будзе магчымасці вярнуцца?

іншыя дзеянні

Акрамя знакамітага запаволення часу, існуе і рэлятывісцкі эфект Доплера, згодна з якім у выпадку, калі крыніца хваляў пачне рух, то хвалі, якія распаўсюджваюцца ў бок гэтага руху, будуць успрымацца назіральнікам як "сціснутыя", а ў бок выдалення даўжыня хваль будзе павялічанай.

Падобная з'ява характэрна для любых хваляў, таму яго можна назіраць на прыкладзе гуку ў штодзённым жыцці. Скарачэнне гукавой хвалі ўспрымаецца чалавечым вухам як павышэнне тоны. Таму, калі сігнал цягніка або аўтамабіля чуецца здалёку, ён ніжэй, а калі цягнік будзе ехаць міма назіральніка, выдаючы пры гэтым гук, то вышыня яго будзе вышэй у момант набліжэння, але як толькі аб'екты параўнялася, і цягнік пачне выдаляцца, тон рэзка стане ніжэй і далей будзе працягвацца на больш нізкіх нотах.

Гэтыя рэлятывісцкі эфекты абумоўлены класічным аналагам змены частоты пры руху прымача і крыніцы, а таксама рэлятывісцкім запаволеннем часу.

Аб магнетызме

Акрамя ўсяго іншага, сучасныя фізікі ўсё часцей абмяркоўваюць магнітнае поле як рэлятывісцкі эфект. Згодна з гэтай трактоўцы, магнітнае поле не з'яўляецца самастойнай фізічнай матэрыяльнай сутнасцю, яно нават не адна з формаў праяў электрамагнітнага поля. Магнітнае поле з пункту гледжання тэорыі адноснасці - усяго толькі працэс, які ўзнікае ў прасторы вакол кропкавых зарадаў з-за перадачы электрычнага поля.

Прыхільнікі гэтай тэорыі лічаць, што калі б С (хуткасць святла ў вакууме) была бясконцай, то распаўсюд узаемадзеянняў па хуткасці таксама апынулася б неабмежаваным, а з прычыны гэтага не магло ўзнікнуць ніякіх праяў магнетызму.