Теория относительности: сокращение длин

Теория  относительности: сокращение длин.

Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО) (ча́стная тео́рия относи́тельности; релятивистская механика) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

О  теории   относительности.

Поговаривают, что в мире есть только несколько человек, понимающих  теорию   относительности . Вообще-то ведущих физиков-теоретиков намного больше  и никто из них не скажет, что они что-то недопонимают в ней, хотя, если смотреть широко, то, как теория  описывающая действительность, она недостаточна, но сама по себе на это и не претендует. На переднем фронте сегодня идет разработка моделей, дополняющих теорию   относительности квантовомеханическими явлениями - струнные  теории  . Так что мы несколько отстали, так же, как если бы вдруг решили разобраться с законами Ньютона.

 Теория   относительности   описана во множестве вариантов,  в том числе и популярных. И  ее способен понять любой, кто  не будет стремиться найти  полные аналогии ее представлений  с привычной окружающей действительностью. 

Создание  СТО.

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось  развитие в XIX веке электродинамики. Результатом  обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей  в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие  эволюцию электромагнитного поля и  его взаимодействие с зарядами и  токами. В электродинамике Максвелла  скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от скоростей  движения как источника этих волн, так и наблюдателя, и равна скорости света. Таким образом, уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея, что противоречило классической механике.                               Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных . Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от системы отсчёта. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности. При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае. Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости.

Сокращение  длин.                                                                                                                                       Парадокс шеста и сарая.                                                                                                                                         

Из СТО мы знаем, что движущиеся тела сокращаются в направлении движения. Возьмём сарай с двумя сквозными дверьми. Возьмём шест, который чуть длиннее, чем сарай. Если открыть обе двери и просунуть в них шест, то он в сарай не поместится и будет торчать из дверей по обе стороны. Воспользуемся сокращением длин — разгоним шест до такой скорости, чтобы он сократился, допустим в 2 раза, и тогда, пролетая сквозь сарай, он весь целиком там поместится! Захлопнем двери сарая, пока шест находится внутри и тут же быстренько их откроем, чтобы не поломать сей девай-с. И мы видим следующее противоречие: система отсчёта, связанная с шестом, такая же равноправная, как и связанная с сараем. То есть, в ней будут наблюдаться те же эффекты сокращения продольных размеров, но только уже сарая! В ней сарай станет короче, чуть более длинный изначально шест станет ещё более длинным и никогда в сарай не поместится. Значит, захлопнув двери сарая, мы обязательно сломаем шест! Этот парадокс — один из типичных случаев, когда, вцепившись в один из эффектов СТО, человек делает далеко идущие выводы, пренебрегая другими, подчас более важными, эффектами. Сокращение длин действительно произойдёт так, как описано в парадоксе — для сарая шест окажется укороченным и поместится в нём целиком, а для шеста — сарай окажется укороченным и не сможет поместить в себя весь шест. Так где же правда? А правда — в относительности одновременности. Сокращение длин — это второстепенный эффект, относительность же одновременности — намного же более важный. Ещё раз вспомним уже сказанное тут: события, одновременные в одной системе отсчёта, будут по СТО неодновременными в другой системе отсчёта, если системы движутся друг относительно друга. Если присмотреться к эксперименту, у нас в нём есть чётко выраженные события, одновременные инерциальные системы отсчёта сарая— это момент, когда мы закрываем переднюю и заднюю двери сарая. Мы делаем это в ИСО сарая ОДНОВРЕМЕННО. Нетрудно догадаться, что в ИСО шеста они произойдут в разные моменты времени, а именно: когда передний конец шеста войдёт в сарай и приблизится к задней двери, она захлопнется и тут же откроется, а когда задний конец шеста сравняется с передней дверью, захлопнется и откроется, в свою очередь, и она. Таким образом, шест не сломается ни в ИСО сарая, ни в ИСО шеста.

Если внимательно присмотреться  к этому парадоксу, то можно сделать  один важный вывод насчёт эффекта  сокращения длин. Как мы измеряем длину  объекта? Прикладываем к нему линейку  и смотрим на показания шкалы  у начала и конца объекта. А  что если этот объект двигается? Тогда, чтобы не испортить показания, посмотреть на шкалу у начала и конца объекта  надо… ОДНОВРЕМЕННО. Одновременно? Хм… Ну да, иначе показания окажутся всяко неверными. Но ведь то, что в нашей ИСО по теории относительности одновременно, в другой ИСО будет неодновременным .