23. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1905 год. Патентный эксперт Альберт Эйнштейн публикует статью, которая ломает двухсотлетнюю физику Ньютона. Спойлер: время не абсолютно, масса связана с энергией, а простое слово «одновременно» зависит от того, кто смотрит.

Постулаты СТО

  1. Все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.
  2. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах — не зависит от движения источника! c = 3·10⁸ м/с.

Второй постулат — самый безумный. Гонишься за светом со скоростью 200 000 км/с — свет всё равно уходит от тебя на 300 000 км/с. Летишь против света — он всё равно приходит со скоростью 300 000 км/с. Природа ведёт себя так — и точка.

Относительность времени

Время течёт по-разному в системах, движущихся друг относительно друга. Чем быстрее движешься — тем медленнее течёт твоё время с точки зрения неподвижного наблюдателя (и наоборот).

t = t₀ / √(1 − v²/c²)
Релятивистское замедление времени

t₀ — собственное время (у часов, покоящихся в своей системе), t — время «снаружи». При малых скоростях разница незаметна, но при v → c время на корабле почти замирает. Так что для тех, кто летит — время течёт иначе.

Релятивистское сокращение длины

Движущийся предмет укорачивается вдоль направления движения (с точки зрения неподвижного наблюдателя). Ракета длиной 100 м при 0,87·c станет вдвое короче для земного наблюдателя. Сам экипаж ничего не заметит.

l = l₀·√(1 − v²/c²)
Сокращение длины

Релятивистская масса

Скорость растёт — «масса» (инертность) растёт. Чтобы разогнать частицу до скорости света, нужна бесконечная энергия. Поэтому фотоны летят ровно c, а всё, что имеет массу, — всегда медленнее.

m = m₀ / √(1 − v²/c²)
Релятивистская масса

Почему свет — предел

При v → c знаменатель → 0, масса → ∞, нужна бесконечная энергия. Скорость света — не просто «большое число», это потолок Вселенной для передачи информации и материи.

Энергия и масса

E = m·c²
Самая знаменитая формула

Энергия покоя тела равна его массе, умноженной на квадрат скорости света. Крошечная масса — гигантская энергия. Именно этой формулой «оплачено» всё ядерное деление, синтез и аннигиляция: 1 грамм массы = 9·10¹³ Дж — столько, сколько даёт целая электростанция за сутки электричеством.

Сложение скоростей

Классика «u = v₁ + v₂» не работает при высоких скоростях. По СТО скорости складываются так, что итог никогда не превышает c:

u = (v₁ + v₂) / (1 + v₁·v₂/c²)
Релятивистское сложение скоростей

Две ракеты разлетаются навстречу друг другу со скоростью 0,8·c каждая: относительная скорость — не 1,6·c, а 0,975·c. Скорость света ничем не превзойти.

Практическое подтверждение

ОТО: гравитация — это геометрия

Через 10 лет Эйнштейн пошёл дальше: гравитация — не сила, а искривление самого пространства-времени массой. Земля «крутится» вокруг Солнца не потому, что невидимая нить держит, а потому, что Солнце прогнуло пространство, и Земля катится по его искривлению, как шарик по воронке.

Чёрные дыры

Если материя сжата достаточно сильно, пространство-время искривляется так, что даже свет не может выбраться наружу — рождается чёрная дыра. Совсем недавно (2019) человечество впервые «сфотографировало» её — наверняка ты видел этот огненный ореол.

Счастливой охоты! Ты только что добрался до вершины школьной физики. Дальше — астрофизика, суперпозиция, кварки и вселенная масштабом величественнее любой теории.

← Назад: Атом и атомное ядро Дальше: Элементарные частицы →