КОНЦЕПЦІЯ ЧОТИРИВИМІРНОМУ ПРОСТОРІ-ЧАСІ

Найважливішим досягненням класичного природознавства стало відкриття законів збереження імпульсу і енергії. Ці закони залишаються в силі і для сучасного природознавства, так як закони збереження є наслідком властивостей симетрії простору і часу і не залежать від конкретного виду внутрішніх сил в замкнутій системі - електричних, механічних, магнітних або ядерних. Перевірка цих фундаментальних законів природи в області швидкостей руху частинок, які прагнуть до швидкості світла, призводить до несподіваних результатів.

Взаємодією може бути удар двох частинок, наприклад електрона і атома. При цьому можливі втрати кінетичної енергії електрона. Якщо відбувається порушення електронної оболонки атома, удар буде непружним. При зіткненні двох протонів збудження не відбувається, і удар є абсолютно пружним. Для таких випадків закони збереження дозволяють знайти величини векторів імпульсів частинок після удару. Відзначимо, не наводячи обчислень, характерну особливість, що розлітаються: сума кутів розльоту повинна дорівнювати прямого кута.

Для реєстрації зіткнень протонів використовували метод ядерних фотоемульсій, в яких заряджені частинки залишають автографи - треки. Після прояви фотопластинок сліди, залишені частинками різних енергій, розглядали при збільшенні, проводили вимірювання кутів розльоту і пробігів розсіяних частинок (див. Рис. 46).

Проведені в середині XX в. експерименти показали, що в області швидкостей, багато менших швидкості світла, є точне відповідність з передбаченнями класичної механіки. А ось при високих енергіях протонів, при яких їх швидкість порівнянна зі швидкістю світла, кут розльоту виявляється помітно менше дев'яноста градусів. Спостережувані факти можна інтерпретувати двома шляхами. Перший з них описаний в шкільному курсі фізики. Тут використовують класичне визначення імпульсу тіла P = mV і вводиться поняття динамічної маси частинок, величина якої залежить від швидкості руху частинки:

Ріс.46. Обробка слідів мікрочастинок

Тут т 0 позначає величину маси частки, що покоїться.

У сучасній фізиці прийнято альтернативний варіант, який виходить із закону збереження імпульсу у всіх інерційних системах відліку, в тому числі в системах, що рухаються зі швидкостями порядку швидкості світла. Цей варіант заснований на новому, релятивістському визначенні імпульсу:

де т є інваріантної масою частинки. Така залежність імпульсу від швидкості руху частинки повністю узгоджується зі спеціальною теорією відносності (далі в тексті СТО) Альберта Ейнштейна.

В основу СТО покладені два постулати.

1. У всіх інерційних системах відліку швидкість світла незмінна (є інваріантом) і не залежить від руху джерела, приймача або самої системи відліку:

У класичній механіці Галілея - Ньютона величина швидкості відносного зближення двох тіл (наприклад автомобілів) завжди більше швидкостей цих тіл і залежить як від швидкості одного об'єкта, так і від швидкості іншого. Мимоволі ми переносимо властивості тел на властивості світла, тому нам важко повірити, що швидкість світла не залежить від швидкості його джерела, але це науковий факт.

2. Відповідно до принципу відносності Ейнштейна, фізичні закони не тільки механіки, а й електродинаміки, оптики та інші залишаються незмінними при переході з однієї системи відліку в іншу.

З цих постулатів випливає, що реальний простір-час утворює єдиний чотиривимірний просторово-часовий континуум (скорочено будемо його позначати ПВК). Тому при переході з однієї інерціальної системи до іншої зберігається незмінною величина просторово-часового інтервалу між подіями:

Величина AS визначається наступним виразом:

де Аг - просторовий інтервал;

At - часовий інтервал.

На відміну від динаміки Ньютона (див. Нижче 4.3.1), в СТО не існує подій одномоментних у всіх системах відліку. Тут дві події, одночасні в одній системі відліку, виглядають різночасними з точки зору іншої, що рухається або спочиває, системи відліку.

В якості ілюстрації наведемо приклад уявного експерименту з «поїздом Ейнштейна» (див. Рис. 47). Нехай двері вагона відкриваються при спрацьовуванні фотоелементів. У центрі вагона знаходиться спостерігач № 1, він запалює лампочку, світло якої і буде сигналом для появи струму в фотоелементах і, відповідно до цього, для відкривання дверей.

Що побачать спостерігачі? Так як в рухомій системі світло від центру до країв вагона проходить однакові шляхи з однаковою швидкістю, то для спостерігача № 1 (він вважає свою систему нерухомою, а платформу - рухається) двері відкриються одночасно.

Уявний експеримент з «поїздом Ейнштейна»

Мал. 47. Уявний експеримент з «поїздом Ейнштейна»

Для спостерігача № 2, який знаходиться на платформі, повз яку мчить «поїзд Ейнштейна», задні двері наближається назустріч світловий хвилі, а передні двері, навпаки, віддаляється. З гой же швидкістю, що і в рухомій системі, світло пройде до фотоелементів дверей різні відстані.

Шлях до задніх дверей коротше, і вона відкриється першої, потім відкриється передні двері. Для нерухомого спостерігача події будуть різночасними. Звичайно, розглянутий приклад є уявним експериментом, так як швидкість реального поїзда не може бути порівнянна зі швидкістю світла. Підкреслимо, що ми вважали швидкість поширення світла у всіх системах однаковою. Саме через це можлива разновременность в різних системах відліку.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >