Парадоксы специальной теории относительности

5.6 Тонкий человек на решетке

Некто имеет обыкновение ходить крайне быстро -- настолько быстро, что релятивистское сокращение длин делает его очень тонким. Когда он идет по улице, ему нужно пройти по канализационной решетке. Человек, стоящий рядом с решеткой, не сомневается, что быстро идущий тонкий человек провалится в отверстие решетки. Однако с точки зрения быстрого ходока он сам обладает обычными размерами, а релятивистское сокращение претерпевает решетка. Для него отверстия в решетке много уже, чем для спокойно стоящего человека, и, конечно, он не думает о возможности провалиться. Кто же здесь прав? Ответ связан с относительностью свойства жесткости.

Идеализируем эту задачу: пусть метровый стержень скользит вдоль самого себя по гладкому столу. Пусть на пути этого стержня имеется отверстие шириной 1 м. Если лоренцево сокращение уменьшает длины в 10 раз, то в системе отсчета стола (лаборатория) стержень имеет в длину 10 см и явно провалится в метровое отверстие. Предположим, что в лабораторной системе отсчета метровый стержень движется настолько быстро, что в ходе падения в отверстие сохраняет горизонтальную ориентацию (наклона в лабораторной системе нет). При малых значениях вертикальной составляющей скорости стержень будет падать с обычным ускорением g. В системе отсчета метрового стержня (ракеты) этот стержень имеет длину 1 м, тогда как отверстие подверглось лоренцеву сокращению в 10 раз. Теперь ширина отверстия 10 см, и стержень никак не может упасть в него. Встает вопрос: упадет ли в конце концов стержень в отверстие в обеих системах отсчета? Будет ли стержень на самом деле твердым или деформируемым в ходе этого опыта? Можно ли найти какие-либо физические характеристики этого стержня (например, степень его гибкости или сжимаемости), исходя из того описания его движения, которое дает нам теория относительности?

На свете не существует таких вещей, как «жесткий» метровый стержень или «жесткий» мост. Пусть длинный мост имеет опору только на своих концах. Быстро уберем из-под него правую опору, и правый конец моста сразу же начнет падать. Но середина моста еще не начнет! Ведь она не «знает» еще об исчезновении правой опоры. Стоящий посередине моста человек ощущает под своими ногами его металл таким же устойчивым, как прежде. Падение начнется здесь с определенным опозданием, и время задержки определяется сроком, за который упругое колебание проходит через металл от правого конца моста до места, где стоит человек. Аналогично обстоит дело и с метровым стержнем. Конечно, его жесткость можно повысить, делая его из улучшенных материалов,-- при этом увеличится скорость распространения в нем упругих колебаний, так что сократится время задержки, после которого середина стержня начнет падать. Но возможности улучшения материала стержня не беспредельны: скорость распространения упругих волн никогда не может превысить скорости света. Время задержки не может стать меньше времени распространения света.

Вера в существование абсолютно жестких предметов -- вредное заблуждение, и отказ от него позволяет разобраться, например, в такой, казалось бы, парадоксальной ситуации. Пусть метровый стержень сначала покоится, лежа на узкой полке в ракете, а затем полка резко откидывается вниз, и стержень начинает падать с ускорением силы тяжести. В системе ракеты стержень падает «синхронно» на всем своем протяжении, но в лабораторной системе это будет не так: там ракета мчится вправо -- параллельно ориентации полки -- с огромной скоростью. Поэтому в лабораторной системе отсчета сначала начинает падать правый конец метрового стержня, когда левый его конец все еще продолжает лежать на полке. В этой системе наблюдается, что стержень искривлен (и он искривлен там на самом деле), что, конечно, не противоречит релятивистки сформулированному понятию «жесткости»! Итак, стержень может быть прямым в одной системе отсчета и искривленным -- в другой.

Что метровый стержень упадет в отверстие. В лабораторной системе отсчета этот вывод напрашивался сам собой: метровый стержень там был укорочен до длины, много меньшей метра, и ему ничего не стоило провалиться в отверстие. В системе отсчета ракеты, напротив, отверстие сократилось до размеров, намного меньших метра, тогда как метровый стержень приобрел свою полную длину. При этом, однако, мы должны были признать, что метровый стержень не был -- и не мог быть в принципе -- абсолютно жестким, его правый конец выгнулся вниз, этот конец погрузился в отверстие, а за ним туда нырнул и весь стержень [4].

Заключение

теория относительности эйнштейн максвелл синхронизация

Специальная (или частная) теория относительности (СТО) представляет собой современную физическую теорию пространства и времени. Наряду с квантовой механикой, СТО служит теоретической базой современной физики и техники. СТО часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистскими эффектами. Эти эффекты наиболее отчетливо проявляются при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме c ? 3·108 м/с. Специальная теория относительности была создана А. Эйнштейном (1905 г.). Предшественниками Эйнштейна, очень близко подошедшими к решению проблемы, были нидерландский физик Х. Лоренц и выдающийся французский физик А. Пуанкаре.

СТО возникла больше для решения специальных задач и никоим образом не противоречит принципам ОТО. Она лишь дополнение реального состояния науки с точки зрения потребности современной физики и естествознания. Релятивизм не мертв, он лишь отражение состояния научно-технической мысли того времени.

Тем не менее, в настоящее время СТО -- бурно развивающаяся область современной физики. Это результат огромного прогресса наблюдательной астрономии, развития экспериментальной техники, впечатляющего продвижения в теории.

Литература

1. Лоренц, Принцип относительности / Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский; // ОНТИ ; 1935 г., стр. 134

2. Мицкевич Н.В., Общая теория относительности / Н. В. Мицкевич // Москва., 1927 г

3. Терлецкий Я.П., Парадоксы теории относительности / Я. П. Терлецкий // Москва., 1965 г.

4. Тейлор Э., Физика пространства - времени / Э.Тейлор, Дж. Уиллер // М.: Мир, 1969.

5. Соколовский Я.И., Теория относительности в элементарном изложении.

Размещено на Allbest.ru