Что такое релятивистские эффекты? Релятивистские эффекты. Общая теория относительности
Рассмотрим теперь ряд других эффектов, связанных с движением источника. Пусть источник представляет собой покоящийся атом, колеблющийся со своей обычной частотой ω 0 . Частота наблюдаемого света тогда будет равна ω 0 . Но возьмем другой пример: пусть такой же атом колеблется с частотой ω 1 и в то же время весь атом, весь осциллятор как целое движется со скоростью ν по направлению к наблюдателю. Тогда истинное движение в пространстве будет таким, как изображено на фиг. 34.10,а. Используем наш обычный прием и добавим сτ, т. е. сместим всю кривую назад и получим колебания, представленные на фиг. 34.10,6. За промежуток времени τ осциллятор проходит расстояние ντ, а на графике с осями х′ и у′ соответствующее расстояние равно (с—ν)τ. Таким образом, число колебаний с частотой ω 1 которое укладывалось в интервал Δτ, на новом чертеже укладывается теперь уже в интервал Δτ = (1—ν/с) Δτ; осцилляции сжимаются, и, когда новая кривая будет двигаться мимо нас со скоростью с
, мы увидим свет более высокой частоты, увеличенной за счет фактора сокращения (1—ν/c). Итак, наблюдаемая частота равна
Можно, конечно, объяснить этот эффект и другими способами. Пусть, например, тот же атом испускает не синусоидальную волну, а короткие импульсы (пип, пип, пип, пип) с некоторой частотой ω 1 . С какой частотой мы будем их воспринимать? Первый импульс к нам придет спустя определенное время, а второй импульс придет уже через более короткое время, потому что атом за это время успел к нам приблизиться. Следовательно, промежуток времени между сигналами «пип» сократился за счет движения атома. Анализируя эту картину с геометрической точки зрения, мы придем к выводу, что частота импульсов увеличивается в 1/(1—ν/c) раз.
Будет ли наблюдаться частота ω = ω 0 /(1 — ν/c), если атом с собственной частотой ω 0 движется со скоростью ν к наблюдателю? Нет. Нам хорошо известно, что собственная частота движущегося атома ω 1 и частота покоящегося атома ω 0 — не одно и то же из-за релятивистского замедления хода времени. Так что если ω 0 — собственная частота покоящегося атома, то частота движущегося атома будет равна
Поэтому наблюдаемая частота ω окончательно равна
Изменение частоты, возникающее в таком случае, называется эффектом Допплера: если излучающий объект движется на нас, излучаемый им свет кажется более синим, а если он движется от нас, свет становится более красным.
Приведем еще два других вывода этого интересного и важного результата. Пусть теперь покоящийся источник излучает с частотой ω 0 , а наблюдатель движется со скоростью ν к источнику. За время t наблюдатель сдвинется на новое расстояние νt от того места, где он был при t = 0. Сколько радиан фазы пройдет перед наблюдателем? Прежде всего, как и мимо любой фиксированной точки, пройдет ω 0 t, а также некоторая добавка за счет движения источника, а именно νtk 0 (это есть число радиан на метр, умноженное на расстояние).
Отсюда число радиан за единицу времени, или наблюдаемая частота, равно ω 1 = ω 0 +k 0 ν. Весь этот вывод был произведен с точки зрения покоящегося наблюдателя; посмотрим, что увидит движущийся наблюдатель. Здесь мы снова должны учесть разницу в течении времени для наблюдателя в покое и движении, а это значит, что мы должны разделить результат на √1-ν 2 /c 2 . Итак, пусть k 0 есть волновое число (количество радиан на метр в направлении движения), а ω 0 — частота; тогда частота, регистрируемая движущимся наблюдателем, равна
Для света мы знаем, что k 0 = ω 0 /с. Следовательно, в рассматриваемом примере искомое соотношение имеет вид
и, казалось бы, не похоже на (34.12)!
Отличается ли частота, наблюдаемая при нашем движении к источнику, от частоты, наблюдаемой при движении источника к нам? Конечно, нет! Теория относительности утверждает, что обе частоты должны быть в точности равны. Если бы мы были достаточно математически подготовлены, то могли бы убедиться, что оба математических выражения в точности равны! В действительности требование равенства обоих выражений часто используется для вывода релятивистского замедления времени, потому что без квадратных корней равенство сразу нарушается.
Раз уж мы начали говорить о теории относительности, приведем еще и третий способ доказательства, который покажется, пожалуй, более общим. (Суть дела остается прежней, ибо не играет роли, каким способом получен результат!) В теории относительности имеется связь между положением в пространстве и временем, определяемым одним наблюдателем, и положением и временем, определяемым другим наблюдателем, движущимся относительно первого. Мы уже выписывали эти соотношения (гл. 16). Они представляют собой преобразования Лоренца, прямые и обратные:
Для неподвижного наблюдателя волна имеет вид cos(ωt—kx); все гребни, впадины и нули описываются этой формой. А как будет выглядеть та же самая физическая волна для движущегося наблюдателя? Там, где поле равно нулю, любой наблюдатель при измерении получит нуль; это есть релятивистский инвариант. Следовательно, форма волны не меняется, нужно только написать ее в системе отсчета движущегося наблюдателя:
Произведя перегруппировку членов, получим
Мы снова получим волну в виде косинуса с частотой ω′ в качестве коэффициента при t′ и некоторой другой константой k′ — коэффициентом при х′. Назовем k′ (или число колебаний на 1 м) волновым числом для второго наблюдателя. Таким образом, движущийся наблюдатель отметит другую частоту и другое волновое число, определяемые формулами
Легко видеть, что (34.17) совпадает с формулой (34.13), полученной нами на основании чисто физических рассуждений.
Сущность релятивистских эффектов
По мере перехода от элементов коротких периодов к тяжелым элементам все возрастающую роль играют релятивистские эффекты.
Релятивистские эффекты - это явления, связанные со скоростями движения тел, сравнимыми со скоростью света. Причина усиления роли релятивистских эффектов заключается в том, что скорость (υ ) движения электронов тяжелых атомов становится соизмеримой со скоростью света (с ), так, для 1s -электрона золота она составляет около 60% от скорости света. По этой причине масса электрона релятивистски увеличивается и в соответствии с известным выражением Эйнштейна:
может быть рассчитана через массу покоя электрона m 0 . Среднее расстояние электрона от ядра атома в квантовой механике определяется выражением, обратно пропорциональным массе электрона. Поэтому при высоких скоростях движения электрон находится ближе к ядру, чем при низких - положение максимума вероятности на ее радиальной зависимости сдвигается к ядру. Это явление называют релятивистским сжатием орбитали. Релятивистскому сжатию орбитали соответствует понижение энергии электрона в атоме, пропорциональное его релятивистской массе:
Релятивистское сжатие орбитали наиболее сильно проявляется для электронов самых глубоко лежащих уровней и, в первую очередь, для 1-й оболочки (1s ). Однако для химии элементов важно то, что вслед за ls -оболочкой, испытывающей наибольшее релятивистское сжатие, все другие ns -подоболочки тоже сжимаются. Это обусловлено требованием ортогональности ns -функций к ls -атомным орбиталям. Ортогональность атомных орбиталей - важное свойство орбиталей. Оно заключается в том, что каждая АО представляет собой как бы единичный вектор в многомерном пространстве, в котором описывается движение электронов в атоме. А эти базисные векторы, как хорошо известно для декартовой системы координат обычного трехмерного пространства, должны быть ортогональны и нормированы. Ортогональность двух АО достигается тогда, когда сумма всех их произведений, взятых во всех точках трехмерного пространства, равна нулю. Функция 1s имеет один максимум на радиальной зависимости и всегда положительна. Остальные ns -атомные орбитали в отдельных участках пространства принимают значения больше нуля, в других - меньше нуля. Число таких разных областей совпадает с числом максимумов вероятности, точнее говоря, определяет число последних, и равно n - l . Например, для 6s - АО золота будут 6 - 0 = 6 таких участков, попеременно меняющих знак функции по мере удаления от ядра атома. Поэтому для выполнения условия ортогональности радиальные зависимости 1s - и 6s -функций должны строго соответствовать друг другу так, чтобы сумма всех положительных произведений этих функций в точности равнялась сумме всех отрицательных произведений. Когда 1s - АО сжимается, то ее максимум на радиальной зависимости сдвигается ближе к ядру, меняются и произведения 1s - и 6s - АО во всех участках пространства. Чтобы баланс отрицательных и положительных вкладов в сумму произведений (ортогональность) не нарушился, 6s -функция также должна сжаться.
Также сжимаются внешние р- и внутренние d- подоболочки.
Однако заполняющиеся d- и f -подоболочки при этом становятся более диффузными. Последнее обусловлено тем, что сжатие s- и р- подоболочек приводит к более эффективному экранированию ими заряда ядра от электронов d- и f -орбиталей.
Кроме этого, релятивистским эффектом является и так называемое спин-орбитальное расщепление состояний, которое для наиболее тяжелых элементов составляет несколько [эВ]. Оно заключается в том, что становится невозможным разделить орбитальный и спиновой моменты количества движения электрона. В результате, например, нельзя, строго говоря, выделить некоторую s- подоболочку, на которой могут размещаться электроны с различным спином. Необходимо рассматривать другие виды АО.
Определенную роль релятивистские эффекты начинают играть для атомов 4-го периода, их роль возрастает при переходе к элементам ниже располагающихся периодов периодической системы. Поэтому отличия химических свойств элементов 6-го и 7-го периодов и индивидуальные отличия других элементов в различных подгруппах периодической системы в ряде случаев связаны с релятивистскими эффектами. Хотя их влияние существенно больше для электронов внутренних оболочек, имеется немало примеров определяющей роли релятивистских эффектов и для валентных электронов.
В главных I и II подгруппах релятивистские эффекты проявляются в сжатии ns -подоболочек. Это сжатие ведет к увеличению первой энергии ионизации I 1 для элементов I и двух энергий ионизации I 1 и I 2 - II подгруппы при переходе от пятого периода (Cs, Ва ) к шестому (Pr, Ra ).
Для элементов других главных подгрупп с релятивистскими эффектами связывается следующее. Как правило элементы 6-го периода этих подгрупп имеют характерные валентности на 2 единицы меньше, чем другие, более легкие, элементы. Так, для таллия, находящегося в третьей подгруппе, характерная степень окисления равна +1. Также с релятивизмом связано существование соединений одновалентного висмута. Энергия сцепления атомов между собой в простом веществе (энергия когезии) этих элементов обычно также ниже, чем в других случаях.
Весьма чувствительно к релятивистским эффектам сродство к электрону атомов галогенов, которое ими уменьшается у F, Cl, Br, J, At приблизительно на 1, 2, 7, 14, 38%, соответственно.
Релятивистские эффекты побочных подгрупп
Большое значение релятивистские эффекты имеют для элементов побочных подгрупп. Давно известно, что химические и физические свойства золота сильно отличаются от свойств меди и серебра. Часто такие отличия носят название «аномалии Au ». Например, большинство координационных соединений Au (I) имеет координационное число 2, в то время как Ag (I) и Сu (I) имеют тенденцию к большим значениям. Золото имеет значение I 1 значительно большее, чем серебро, и связано это с релятивистским сжатием 6s -подоболочки. Это объясняет низкую восстановительную активность золота, а также существование аурид-иона Аu - в таких соединениях, как CsAu или RbAu . Серебро такие соединения уже не образует. Сжатие валентной 6s - АО золота также увеличивает прочность и уменьшает длину его связей в соединениях. Вторая энергия ионизации золота I 2 меньше, чем у серебра, что связано с релятивистским расширением 5d -подоболочки. Поэтому проявление в соединениях золота более высоких степеней окисления, чем у меди и серебра, связано с меньшими энергетическими затратами для участия в этом 5d -электронов. Желтый цвет золота связан с релятивизмом. Вследствие небольшого энергетического различия между сжатым s- и расширенным d- подуровнями золото отражает красный и желтый и поглощает голубой и фиолетовый цвета.
Во второй побочной подгруппе близкие к отмеченным в подгруппе меди отличия найдены для ртути по сравнению с цинком и кадмием. В частности, с релятивистскими эффектами связывают уникальную стабильность кластерного иона Hg 2 2+ , наличие жидкого состояния ртути при комнатной температуре, резко отличающуюся температуру сверхпроводящего перехода Hg (Т = 4,15 К) по сравнению с Cd (0,52 К) или Zn (0,85 К), уникальную устойчивость амидных содинений ртути в водном растворе.
В третьей побочной подгруппе различия в свойствах лантана и лантаноидов, с одной стороны, и актиния и актиноидов, с другой, в основном, обусловлены релятивистскими эффектами. Первые три энергии ионизации Ас выше, чем соответствующие энергии La , хотя до лантана сверху вниз в подгруппе энергии ионизации уменьшаются. Лантаноиды образуют, в основном, тригалогениды (исключение составляют Се, Рr, Тb , которые также образуют тетрафториды). Для актинидов же типично большее разнообразие с образованием тетра-, пента- и гексагалогенидов. Это иллюстрирует хорошо известное в неорганической химии правило, что из двух элементов побочной подгруппы более тяжелый проявляет большую валентность. Объяснение этого правила с позиции влияния релятивистских эффектов заключается в том, что релятивистское расширение d- или f -подоболочки облегчает удаление с нее электронов (проявляются более высокие степени окисления).
Для элементов IV побочной подгруппы изменение электронных подоболочек вследствие увеличения их числа при переходе от Zr к Hf компенсируется влиянием релятивистских эффектов. Поэтому эти два элемента очень близки по свойствам.
Элементы остальных побочных подгрупп, находящиеся в 6-м периоде, имеют предпочтительные электронные конфигурации 5d x 6s 2 . Для них химические различия между элементами пятого и шестого периодов определяются, если и не доминирующим образом, то в значительной мере релятивистскими эффектами. Так, энергии когезии элементов от Та до Pt систематически ниже, чем элементов от Nb до Pd . Гидриды 5d -элементов обычно более стабильны, галогениды - более разнообразны и проявляют более высокую валентность металла, чем аналогичные соединения 4d -элементов и др.
В целом, для элементов от гафния до радона релятивистские эффекты уже настолько велики, что их нужно учитывать, а для актиноидов это абсолютно необходимо.
Резкое расширение в последнее время интереса к соединениям тяжелых элементов ставит неотъемлемой задачей учет релятивизма. Наиболее совершенные релятивистские методы основываются на релятивистском аналоге уравнения Шредингера - уравнении Дирака . Главное отличие этих уравнений заключается в том, что оператор релятивистской одноэлектронной кинетической энергии, учитывая зависимость массы электрона от его скорости, совершенно отличается от соответствующего нерелятивистского оператора. При этом гамильтониан Дирака содержит матрицы четвертого порядка в отличие от скалярного вида гамильтониана Шредингера. Решение уравнения Дирака является четырехкомпонентным вектором, называемым четырехкомпонентным спинором. Спинорная природа волновых функций приводит к тому, что в определенных состояниях, например, p α z -спин-орбиталь может смешиваться с p x β - или p y β -спин-орбиталями. Это вызывает смешение электронных состояний различных симметрии и спина.
Классическая физика придерживается мнения, что любые наблюдатели, независимо от места нахождения, будут получать одни и те же результаты в своих измерениях времени и протяженности. Принцип относительности гласит, что наблюдатели могут получать разные результаты, а подобные искажения носят название "релятивистские эффекты". При приближении к скорости света ньютоновская физика отходит в сторону.
Скорость света
Ученый А. Майкельсон, проводивший в 1881 году света, понял, что эти результаты не будут зависеть от скорости, с которой движется источник излучения. Совместно с Э.В. Морли Майкельсон в 1887 году провел еще один эксперимент, после которого всему миру стало ясно: неважно, в каком направлении проводится измерение, скорость света везде и всегда одинакова. Результаты этих исследований шли вразрез с представлениями физики того времени, ведь если свет движется в определенной среде (эфире), а планета движется в этой же среде, измерения в разных направлениях никак не могут быть одинаковыми.
Позже французский математик, физик и астроном Жюль Анри Пуанкаре стал одним из основоположников теории относительности. Он развивал теорию Лоренца, согласно которой существующий эфир неподвижен, поэтому относительно него не зависит от скорости источника. В движущихся системах отсчета выполняются преобразования Лоренца, а не галилеевы (преобразования Галилея, принятые до тех пор в ньютоновской механике). Отныне галилеевы преобразования стали частным случаем преобразований Лоренца, при переходе в другую инерциальную систему отсчета при малой (по сравнению со скоростью света) скорости.
Упразднение эфира
Релятивистский эффект сокращения длины, называемый так же Лоренцевым сокращением, состоит в том, что для наблюдателя предметы, движущиеся относительно него, будут обладать меньшей длиной.
Существенный вклад в теорию относительности внес Альберт Эйнштейн. Он полностью упразднил такой термин как "эфир", до этого времени присутствавший в рассуждениях и расчетах всех физиков, а все понятия о свойствах пространства и времени он переложил в кинематику.
После того, как в свет вышли работы Эйнштейна, Пуанкаре не только прекратил писать научные работы на эту тему, но и вообще не упоминал имени своего коллеги ни в одной из своих работ, исключая единственный случай ссылки на теорию фотоэффекта. Пуанкаре продолжил обсуждать свойства эфира, категорически отрицая любые публикации Эйнштейна, хотя при этом к самому великому ученому относился с уважением и даже дал ему блестящую характеристику, когда администрация Высшего политехнического училища в Цюрихе хотела пригласить Эйнштейна стать профессором учебного заведения.
Теория относительности
Даже многие из тех, кто совершенно не в ладах с физикой и математикой, хотя бы в общих чертах представляет, что такое теория относительности, ведь это, возможно, самая знаменитая из научных теорий. Ее постулаты рушат обыденные представления о времени и пространстве, и хотя все школьники изучают теорию относительности, но чтобы понять ее во всей полноте недостаточно просто знать формулы.
Эффект замедления времени проверили на эксперименте со сверхзвуковым самолетом. Точные атомные часы, находящиеся на его борту, после возвращения стали отставать на доли секунды. Если имеется два наблюдателя, один из которых стоит на месте, а второй движется с некоторой скоростью относительно первого, время у наблюдателя, который неподвижен, будет идти быстрее, а для движущегося объекта минута будет длиться чуть дольше. Однако если движущийся наблюдатель решит вернуться и сверить время, окажется, что его часы показывают немного меньше, чем первые. То есть, пройдя гораздо большее расстояние по шкале пространства, он "прожил" меньше времени, пока двигался.
Релятивистские эффекты в жизни
Многие считают, что наблюдать релятивистские эффекты можно только при достижении скорости света или при приближении к ней, и это действительно так, однако наблюдать их можно, не только разогнав свой космический корабль. На страницах научного журнала Physical Review Letters можно прочитать о теоретической работе шведских ученых. Они писали о том, что релятивистские эффекты присутствуют даже в просто аккумуляторе для автомобиля. Процесс возможен благодаря быстрому движению электронов атомов свинца (к слову, именно они есть причина большей части напряжения в клеммах). Это также объясняет, почему, несмотря на схожесть свинца и олова, аккумуляторы на основе олова не работают.
Необычные металлы
Скорость вращения электронов в атомах довольно невысока, поэтому и теория относительности просто не работает, однако есть некоторые исключения. Если продвигаться все дальше и дальше по таблице Менделеева, становится понятно, что в ней довольно много элементов тяжелее свинца. Большая масса ядер уравновешивается за счет повышения скорости движения электронов, причем она может даже приближаться к световой.
Если рассмотреть этот аспект со стороны теории относительности, то становится ясно, что у электронов в таком случае должна быть огромная масса. Только так можно сохранить угловой момент, но орбиталь будет сжиматься по радиусу, и это действительно наблюдается в атомах тяжелых металлов, а вот орбитали "медленных" электронов не изменяются. Этот релятивистский эффект наблюдается в атомах некоторых металлов на s-орбиталях, имеющих правильную, сферически симметричную форму. Считается, что именно в результате действия теории относительности ртуть имеет жидкое агрегатное состояние при комнатной температуре.
Космические путешествия
Объекты в космосе находятся друг от друга на огромных расстояниях, и даже при движении со скоростью света потребуется очень много времени, чтобы преодолеть их. Например, чтобы добраться до Альфы Центавра - ближайшей к нам звезды, космическому кораблю, имеющему скорость света, потребуется четыре года, а чтобы достичь соседней с нами галактики - Большого Магелланова Облака - потребуется 160 тысяч лет.
О магнетизме
Помимо всего прочего, современные физики все чаще обсуждают магнитное поле как релятивистский эффект. Согласно этой трактовке, магнитное поле не является самостоятельной физической материальной сущностью, оно даже не одна из форм проявлений электромагнитного поля. Магнитное поле с точки зрения теории относительности - всего лишь процесс, который возникает в пространстве вокруг точечных зарядов из-за передачи электрического поля.
Приверженцы этой теории считают, что если бы С (скорость света в вакууме) была бесконечной, то распространение взаимодействий по скорости тоже оказалось бы неограниченным, а вследствие этого не могло возникнуть никаких проявлений магнетизма.
Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают изменения пространственно-временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света.
В качестве примера обычно рассматривается космический корабль типа фотонной ракеты, который летит в космосе со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:
1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии (E= mc 2). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.
2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать. 3. Замедление времени. В космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.
Эффект замедления времени сказался бы не только на часах внутри корабля, но и на всех процессах, протекающих на нем, а также на биологических ритмах космонавтов. Однако фотонную ракету нельзя рассматривать как инерциальную систему, ибо она во время разгона и торможения движется с ускорением (а не равномерно и прямолинейно).
В теории относительности предложены принципиально новые оценки пространственно-временных отношений между физическими объектами. В классической физике при переходе от одной инерциальной системы (№ 1) к другой (№ 2) время остается тем же – t 2 = t L а пространственная координата изменяется по уравнению x 2 = x 1 – vt. В теории относительности применяются так называемые преобразования Лоренца:
Из отношений видно, что пространственные и временные координаты зависят друг от друга. Что касается сокращения длины в направлении движения, то
а ход времени замедляется:
В 1971 г. в США был поставлен эксперимент по определению замедления времени. Изготовили двое совершенно одинаковых точных часов. Одни часы оставались на земле, а другие помещались в самолет, который летал вокруг Земли. Самолет, летящий по круговой траектории вокруг Земли, движется с некоторых ускорением, и значит, часы на борту самолета находятся в другой ситуации по сравнению с часами, покоящимися на земле. В соответствии с законами теории относительности часы-путешественники должны были отстать от покоящихся на 184 нс, а на самом деле отставание составило 203 нс. Были и другие эксперименты, в которых проверялся эффект замедления времени, и все они подтвердили факт замедления. Таким образом, разное течение времени в системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, является непреложным экспериментально установленным фактом.
Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают изменения пространственно‑временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света.
В качестве примера обычно рассматривается космический корабль типа фотонной ракеты, который летит в космосе со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:
1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии(E= mc 2 ). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.
2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать. 3.Замедление времени. В космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.
Эффект замедления времени сказался бы не только на часах внутри корабля, но и на всех процессах, протекающих на нем, а также на биологических ритмах космонавтов. Однако фотонную ракету нельзя рассматривать как инерциальную систему, ибо она во время разгона и торможения движется с ускорением (а не равномерно и прямолинейно).
В теории относительности предложены принципиально новые оценки пространственно‑временных отношений между физическими объектами. В классической физике при переходе от одной инерциальной системы (№ 1) к другой (№ 2) время остается тем же – t 2 =t L а пространственная координата изменяется по уравнениюx 2 =x 1 – vt. В теории относительности применяются так называемые преобразования Лоренца:
Из отношений видно, что пространственные и временные координаты зависят друг от друга. Что касается сокращения длины в направлении движения, то
а ход времени замедляется:
В 1971 г. в США был поставлен эксперимент по определению замедления времени. Изготовили двое совершенно одинаковых точных часов. Одни часы оставались на земле, а другие помещались в самолет, который летал вокруг Земли. Самолет, летящий по круговой траектории вокруг Земли, движется с некоторых ускорением, и значит, часы на борту самолета находятся в другой ситуации по сравнению с часами, покоящимися на земле. В соответствии с законами теории относительности часы‑путешественники должны были отстать от покоящихся на 184 нс, а на самом деле отставание составило 203 нс. Были и другие эксперименты, в которых проверялся эффект замедления времени, и все они подтвердили факт замедления. Таким образом, разное течение времени в системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, является непреложным экспериментально установленным фактом.
