Время замедляется у тех, кто движется, а масса оказалась энергией
Мы привыкли считать время самой надёжной вещью на свете: секунда в Москве равна секунде на Луне, а часы пассажира самолёта идут так же, как часы его друга на земле. В 1905 году выяснилось, что это не так. У того, кто движется, время течёт медленнее, и этот эффект давно измерен приборами, а без поправок на него не работала бы навигация в вашем телефоне. Но самое странное следствие той же идеи касается не часов, а вещества, из которого сделан мир.
Двести лет время было одним на всех
Со времён Ньютона физика стояла на простой опоре: есть абсолютное время, оно течёт равномерно для всей Вселенной. Скорость складывается, как в быту. Бросьте мяч вперёд из едущего поезда, и для человека на платформе мяч полетит быстрее на скорость поезда.
Со светом этот здравый смысл дал сбой. Считалось, что свет бежит по невидимой среде, эфиру, а Земля несётся сквозь неё, значит, скорость света должна меняться в зависимости от направления. В 1887 году американцы Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили тончайший опыт, чтобы поймать этот «эфирный ветер». Разницы не нашлось. Свет упрямо летел с одной скоростью, около 300 тысяч километров в секунду, куда бы ни двигался прибор.
Физики пытались залатать теорию: Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре вывели формулы, по которым тела в движении слегка сокращаются. Формулы работали, но смысл их оставался загадкой.
Эксперт патентного бюро отказался от общих часов
Разгадку предложил человек, далёкий от академии. Альберт Эйнштейн, 26 лет, служил экспертом в патентном бюро Берна и в 1905 году опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел». Он не стал спасать эфир. Он принял два утверждения за исходные: законы физики одинаковы для всех, кто движется равномерно, а скорость света одна и та же для любого наблюдателя.
Если свет не может ускориться, уступить должно время. Представьте часы, где световой импульс скачет между двумя зеркалами, а каждый скачок равен одному тику. Для пассажира поезда импульс бегает строго вверх и вниз. Для человека на платформе тот же импульс чертит наклонные зигзаги: путь длиннее, а скорость света та же. Значит, каждый тик длится дольше. Часы в поезде для него отстают, и это не поломка механизма, а свойство самого времени.
На скоростях поезда разница ничтожна. Но природа давно ставит опыт на скоростях, близких к световой.
Частицы из космоса долетают до Земли, потому что спешат
Космические лучи, врезаясь в атмосферу на высоте около 15 километров, рождают мюоны, тяжёлых родственников электрона. Мюон живёт примерно две миллионные доли секунды. Даже со скоростью света он успел бы пролететь лишь около 600 метров и распасться задолго до земли. Однако детекторы на поверхности ловят их постоянно. Мюоны мчатся так быстро, что их внутренние часы для нас почти замирают, и короткая жизнь растягивается на весь путь вниз.
В 1971 году физики Джозеф Хафеле и Ричард Китинг взяли атомные часы на борт обычных рейсовых самолётов и облетели Землю. По возвращении часы разошлись с земными на десятки и сотни наносекунд, как и предсказывала теория вместе со своей более поздней сестрой, общей теорией относительности.
Сегодня это инженерная рутина. Часы спутников GPS из-за скорости отстают примерно на 7 микросекунд в сутки, а из-за более слабой гравитации на орбите спешат примерно на 45. Итог около 38 микросекунд в день. Без поправки навигатор ошибался бы примерно на 10 километров за сутки. Но в той же теории пряталось открытие куда мощнее.
Масса оказалась запертой энергией
Осенью 1905 года Эйнштейн дописал к теории короткую заметку на три страницы. Из неё следовало: если тело отдаёт энергию, его масса уменьшается. Масса и энергия оказались одной сущностью, а курс обмена задаёт формула E=mc². Квадрат скорости света — число гигантское, поэтому крошечная масса хранит колоссальную энергию.
Так горит Солнце: сливая ядра водорода в гелий, оно ежесекундно теряет около четырёх миллионов тонн массы, превращая их в свет. Так работают атомные станции. И так же, увы, сработала бомба над Хиросимой, где в энергию превратилось меньше грамма вещества.
В медицине формула работает буквально. При позитронно-эмиссионной томографии античастицы встречаются с электронами и полностью исчезают, а их масса превращается в два гамма-кванта, которые ловит сканер и рисует карту работы органов.
Где теория молчит
В обычной жизни эффекты почти незаметны: космонавт за полгода на МКС стареет меньше земляков лишь на несколько тысячных долей секунды. А гравитацию специальная теория не описывает вовсе, для неё Эйнштейну понадобилось ещё десять лет и общая теория относительности 1915 года.
Идея 1905 года отняла у нас общие для всей Вселенной часы и взамен показала, что каждая крупинка вещества — это сжатая энергия звёзд. Время каждого из нас течёт чуть по-своему, а камень под ногами оказался туго сжатым светом, которому просто некуда было бежать.
Больше историй о великих открытиях — в наших статьях.
🎯 Проверь себя
Почему мюоны, рождённые в верхних слоях атмосферы, долетают до поверхности Земли?
Мюон живёт около двух микросекунд, но на скорости, близкой к скорости света, его внутренние часы для земного наблюдателя сильно замедляются.
Показать ответ
Из-за огромной скорости их время для нас течёт медленнее. Мюон живёт около двух микросекунд, но на скорости, близкой к скорости света, его внутренние часы для земного наблюдателя сильно замедляются.
Что произошло бы с GPS, если бы инженеры не учитывали эффекты теории относительности?
Часы на спутниках расходятся с земными примерно на 38 микросекунд в сутки, а это и даёт ошибку около десяти километров в день.
Показать ответ
Ошибка позиционирования росла бы примерно на 10 км в сутки. Часы на спутниках расходятся с земными примерно на 38 микросекунд в сутки, а это и даёт ошибку около десяти километров в день.
Какая часть урана превратилась в энергию при взрыве бомбы над Хиросимой?
Согласно E=mc², даже доли грамма массы, умноженные на квадрат скорости света, дают энергию огромного взрыва.
Показать ответ
Меньше грамма. Согласно E=mc², даже доли грамма массы, умноженные на квадрат скорости света, дают энергию огромного взрыва.
Вы дочитали до конца! Сегодня прочитано статей: 1
Следующая статья →Ледниковые периоды идут по расписанию орбиты Земли, но не зимой
Ещё в «Высоких технологиях»
Свет оказался волной электричества. Из этого выросли радио и Wi-Fi
Углекислый газ греет планету: это посчитали в 1896 году и забыли
Беспорядок может только расти. Поэтому время не умеет идти назадНужна расшифровка записи?
Интервью, лекции, совещания, видео — переведём в точный текст. Редактор прослушивает всю запись и проверяет весь текст; стоимость и срок согласуем после оценки.
 |
 |