Естественнонаучная картина мира - [58]

≤ с. Даже если сложить две световые скорости, получится сумма с, а не 2с, как мы, возможно, ожидали.

Законы механики, точнее, ее кинематической основы, переписанные в соответствии с требованиями СТО, дают нам качественно иной образ реальности и происходящих в ней процессов, нежели тот, к которому мы привыкли или тот, который согласуется с нашим здравым смыслом. Перед нами все ярче проявляются контуры новой картины мира. Здесь нет тел и взаимодействия между ними. Здесь есть только события, которые фиксируются в системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Здесь нет абсолютных величин пространства и времени – размерность пространства/времени устанавливается относительно той или иной системы отсчета. Здесь нет эталонов палаты мер и весов. Здесь любое расстояние есть произведение скорости сигнала на время, за которое сигнал это расстояние проходит для конкретного наблюдателя. Теоретические основы этого мира были тщательно разработаны через несколько лет математиком Минковским, одним из учителей Эйнштейна, хотя сам Эйнштейн поначалу считал данную модель слишком «математической» и умозрительной.

В указанной модели реальности вновь установленная связь пространства и времени (в рамках трехмерной пространственной системы координат с добавленной временной координатой) дает новый смысл константе c, называть которую скоростью света можно, лишь отдавая должное истории развития естествознания. Дело в том, что любые физические процессы проходят в пространстве и времени и фиксируются наблюдателем в тех или иных системах отсчета. Константа с здесь исполняет роль связи между пространством и временем в единой системе координат. Свет просто распространяется со скоростью, равной фундаментальной константе c, выражающей, повторим, фундаментальное единство пространства-времени. Такое единство было предложено называть «четырехмерным пространством-временем» или «континуумом».

Самое замечательное, что только что описанный мир прекрасно согласуется с хорошо знакомым нам миром Галилея – Ньютона и здравым смыслом. Дело в том, что все описанные выше эффекты и явления становятся существенно значимыми при условии, что скорости, которыми мы оперируем, приближаются к скорости света или вообще равны ей. Если же скорости соизмеримы не со скоростью света, а, например, движением Земли (относительно с – очень небольшой величиной), то все описанные выше поправки и преобразования взаимосокращаются и взаимоуничтожаются, переводя все расчеты в уютную знакомую еще по школе реальность ньютоновской физики.

Одним из эмпирических доказательств СТО считается феномен мюонов. Мюоны (мю-мезоны) – частицы, возникающие в верхних слоях атмосферы (около 10 км) и относящиеся по массе к так называемым «средним частицам то есть гораздо легче протонов и тяжелее электронов. Время жизни мюона составляет около 2 × 10^–6 с, за которое он максимум может пройти 600 м (при условии его движения со скоростью V ≤ с). Несмотря на это, земные лаборатории вполне могут успеть их обнаружить и зафиксировать – факт проверенный в экспериментах многократно. В чем же дело? Дело в том, что для частиц, двигающихся со скоростями, близкими к световым, работает эйнштейновское замедление времени. Их жизнь относительно нас как наблюдателей удлиняется в 1/√(1 – V²/с²) раз; или, можно сказать, их путь до Земли сокращается на все тот же хорошо известный нам множитель.

Изменения в структуре пространства и времени потребовали и пересмотра динамических начал. Все дело в том, что в ньютоновские законы должны быть внесены соответствующие правки. Относительность пространства-времени должна быть распространена и на массу, которую следует разделить на массу покоя (которая фигурирует во всех уравнениях Ньютона) и так называемую «переменную массу», или релятивистскую массу, растущую при движении тела, равную т₀/{\ – V²/с²). Причина такой корректировки заключается в том, что в механике Ньютона скорость тела может расти до бесконечности при длительном воздействии на тело постоянной силы: F = та = mV/t = Δр/Δt, где ρ – импульс тела, то есть количество движения сообщаемое телу в момент времени. Импульс растет пропорционально приложенной силе и вычисляется по формуле mV, где последний множитель описывает изменение скорости тела. В релятивистской механике скорость расти бесконечно не может, поэтому рост импульса будет обеспечиваться не только ростом скорости, но и ростом массы тела. Чем более разгоняется тело, тем более инертным (сопротивляющимся воздействию силы) оно становится, тем большей силы оно требует для возрастания импульса. Более того, рост массы будет пропорционален сокращению размеров движущегося тела относительно неподвижного наблюдателя. Вспомним еще одну величину – кинетическую энергию, равную работе, которую необходимо совершить для разгона тела до определенной скорости: Е = mV²/2 = р²/2 т₀. В релятивистском выражении это уравнение примет вид: Е = m₀с²/√(1 – V²/с²) = m₀с²+ p²/2m₀. Если же импульс тела будет равен нулю (для покоящегося тела или двигающегося прямолинейно равномерно), то вид уравнения еще более упростится и станет всем знакомым: