Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: No Ether? No Problem: Introducing Special Relativity

Нет эфира? Нет проблем: введение в специальную теорию относительности

В 1905 году Альберт Энштейн опубликовал работу, объясняющую как работает электромагнетизм без эфира.

Эта теория получила известность в качестве специальной (частной) теории относительности, которая объясняет как интерпретировать движение между различными инертными системами отсчёта – т.е. объекты, которые движутся с постоянной скоростью относительно друг друга.

Ключом к специальной теории относительности было то, что Эйнштейн объяснил законы физики, когда два объекта движутся с постоянной скоростью как относительное движение между двумя объектами, вместо того, чтобы обратиться к эфиру в качестве абсолютной системы отсчёта, определяющей происходящее.

Если вы и какой-нибудь астронавт, Эмбер, движетесь в разных космических кораблях и хотите сравнить свои наблюдения – всё, что будет иметь значение, это насколько быстро вы и Эмбер движетесь по отношению друг к другу.

Специальная теория относительности включает в себя только частные случаи (отсюда и название), где движение является равномерным.

Она объясняет движение только в том случае, если вы движетесь по прямой с постоянной скоростью.

Как только вы ускоряетесь или сворачиваете – или делаете что-нибудь, что каким-то способом меняет природу движения – специальная теория относительности перестаёт применяться.

Вот тут приходит общая теория относительности Эйнштейна, потому что она может объяснить общий случай любого движения.

(Я расскажу об этой теории позже в этой главе.)

Статья Энштейна 1905 года, представившая специальную теорию относительности, "К электродинамике движущихся тел", была основана на двух ключевых принципах:

• Принцип относительности: Законы физики не меняются, даже для объектов, движущихся в инерциальных (постоянная скорость) системах отсчёта.

• Принцип скорости света: скорость света одинакова для всех наблюдателей, независимо от их движения относительно источника света.

(Физики записывают эту скорость с помощью символа "с".)

Гениальность открытий Эйнштейна в том, что он посмотрел на эксперименты и сделал правильные выводы.

Это было полной противоположностью того, что делали другие физики.

Вместо предположений о том, что теория верна, и эксперименты не удались, он предположил, что эксперименты верны, а теория неправильна.

По мнению Энштейна, эфир вызвал беспорядок путём введения среды, которая была причиной того, что определённые законы физики работали по-разному в зависимости от того, как наблюдатель перемещался относительно эфира.

Энштейн просто полностью удалил эфир и предположил, что законы физики, включая скорость света (равную с), работают одинаково вне зависимости от того как вы движетесь – точно так, как показали эксперименты и математика!

Предоставляется кредит, и кредит подлежит выплате.

Ни один физик не работает в вакууме, и, конечно, это было верно и для Альберта Энштейна.

Хотя он коренным образом изменил мир физики, он сделал это, решая самые большие вопросы его современности, что означает, что он занимался проблемами, над которыми также работали многие физики.

Он позаимствовал много полезных исследований.

Некоторые обвиняли Энштейна в плагиате или намекали, что его работа не была по-настоящему революционной, потому что он очень многое позаимствовал в работах других.

Например, его работа над специальной теорией относительности в основном базировалась на работе Хендрика Лорентца, Джорджа Фитцджеральда и Жюля Анри Пуанкаре, разработавшего матиматические преобразования, которые Энштейн позже использует в своей теории относительности.

По сути, они сделали всю тяжёлую работу для специальной теории относительности, но потерпели неудачу

в одном важном моменте – они думали, что это математический трюк, а не истинное представление о физической действительности.

То же самое относится и к открытию фотона.

Макс Планк ввёл идею энергии в дискретных пакетах, но подумал, что это всего лишь математический трюк для решения странной специфической ситуации.

Энштейн буквально взял математические результаты и создал теорию фотона.

Обвинения в плагиате в основном были отклонены научным сообществом, потому что Энштейн никогда не отрицал, что работа была сделана другими, по сути, давая им кредит, когда он знал об их работе.

Физики, как правило, признают революционный характер работы Энштейна и знают, что другие внесли в неё большой вклад.

Объединив пространство и время

специальная теория относительности Энштейна создала фундаментальную связь между пространством и временем.

Вселенную можно рассматривать в трёх пространственных измерениях – верх/низ, право/лево, вперёд/назад – и одном измерении времени.

Это четырёхмерное пространство называют пространственно-временным континуумом.

Если вы двигаетесь достаточно быстро сквозь пространство, наблюдения, которые вы делаете о пространстве и времени несколько отличаются от наблюдений другий людей, которые двигаются с другими скоростями.

Формулы Энштейна, используемые для описания этих измерений, были разработаны Хендриком Лоренцем (см. соседний блок "Предоставляется кредит, и кредит подлежит выплате".)

Теория струн вводит ещё больше измерений пространства, таким образом понимая, что измерения в теории относительности являются отправной точкой к постижению некоторых запутывающих аспектов теории струн.

Дополнительные измерения так важны для теории струн, что получили собственную главу, Главу 13.

После подпрыгивания пучка света.

Причина этой пространственно-временной связи вытекает из очень осторожного применения принципов относительности и скорости света.

Скорость света - это расстояние, которое проходит свет, делённое на время, необходимое на преодоление этого расстояния, и (согласно второму принципу Энштейна), все наблюдатели должны согласиться с этой скоростью.

Тем не менее, разные наблюдатели не соглашаются о расстоянии, которое прошёл пучок света, в зависимости от того, как они двигаются сквозь пространство.

Это означает, что чтобы получить ту же скорость, эти наблюдатели должны согласиться о времени, которое требуется пучку света, чтобы пройти дистанцию.

Вы можете представить себе через понимание сути эксперимента, изображённого на рисунке 6-2.

Представьте, что вы находитесь в космическом корабле и держите лазер так, что он стреляет пучком света прямо вверх, ударяясь о зеркало, которое вы разместили на потолке.

Пучок света затем придёт вниз и попадёт в детектор.

Рисунок 6-2: (Верх) Вы видите как пучок света идёт вверх, ударяется о зеркало и идёт прямо вниз.

(Низ) Эмбер видит как пучок проходит вдоль диагонального пути.

Однако, космический корабль идёт с половиной скорости света (0,5с, как написали бы физики).

Согласно Энштейну, для вас нет никакой разницы – вы даже не можете сказать, что вы движетесь.

Однако, если астронавт Эмбер будет следить за вами, как внизу рисунка 6-2, получится другая история.

Эмбер видел бы путешествие вашего пучка света вдоль диагонального пути, удар о зеркало и путешествие вниз вдоль диагонального пути, перед ударом о детектор.

Другими словами, вы и Эмбер увидели бы разные пути для света, и , что более важно, эти пути даже не были бы одной длины.

Это означает, что время, необходимое пучку, чтобы пройти от лазера к зеркалу и к детектору должно также отличаться для ва с и Эмбера так. что вы оба согласитесь со скоростью света.

Это явление известно под названием "расширение времени", где время на корабле, двигающимся очень быстро, кажется медленнее чем на Земле.

В главе 16, я объясняю некоторые способы, которыми этот аспект относительности может использоваться для позволения путешествий во времени.

Фактически, это позволяет только одну форму путешествий во времени, которую учёные считают наверняка возможной физически.

Каким бы странным это ни казалось, этот пример (как и многие другие) демонстрирует, что в теория относительности Энштейна, пространство и время тесно связаны друг с другом.

Если применить уравнения преобразования Лоренца, они работают так, что скорость света прекрасно согласуется со всеми наблюдателями.

Это странное поведение пространства и времени очевидно, только когда вы двигаетесь со скоростью, близкой к скорости света, таким образом, никто никогда этого не наблюдал.

Эксперементы, проведённые начиная с открытия Энштейна подтвердили, что это правда – время и пространство воспринимается по-разному, именно так, как описал Энштейн, для объектов, двигающихся почти со скоростью света.

Построение пространственно-временного континуума

Работа Энштейна показала связь между пространством и временем.

Фактически, его теория специальной относительности позволяет показать вселенную через четырёхмерную модель – три пространственных измерения и одно временное.

В этой модели путь любого объекта сквозь вселенную можно описать мровой линией через четрые измерения.

Хотя концепция пространства-времени является неотъемлемой частью работы Энштейна, на самом деле она принадлежит его старому преподавателю, Герману Минковскому, который в 1907 году развил понятие в полную, элегантную математическую модель пространственно-временных координат.

На самом деле, Минковский определённо не был впечатлён Энштейном, лихо называя его "ленивой собакой".

Один из элементов этой работы – диаграмма Минковского, которая показывает путь объекта сковозь пространство-время.

Она показывает объект на графике, где одна ось это пространство (все три измерения для простоты показаны в одном) и другая ось – это время.

Когда объект перемещается во вселенной, последовательность его положений представляет собой линию или кривую на графике, в зависимости от того, как он движется.

Этот путь называют мировой линией объекта, она показана на рисунке 6-3.

В теории струн идея мировой линии расширяется за счёт включения движения струн в объекты и называется мировой простынёй.

(Для большей информации см. главу 16.

Мировую простыню можно увидеть на рисунке 16-1.)

Объединение массы и энергии

Наиболее известная работа Энштейна также датируется 1905 годом (очень напряжённый год у него), когда он применил идеи своей относительности на бумаге и придумал уравнение E=mc2, которое показывает отношение между массой (m) и энергией (Е).

Рисунок 6-3: путь, который частица проходит сквозь простарнство и время создаёт её мировую линию.

Причина этой связи немного здесь затрагивается, но по существу касается понятия кинетической энергии, обсуждаемой в главе 5.

Энштейн обнаружил, что когда объект достигает скорости света, с, масса объекта увеличивается.

Объект движется быстрее, но всесте с тем становится тяжелее.

Фактически, если бы он мог достичь скорости с, масса объекта и его энергия были бы бесконечны.

Более тяжёлый объект труднее ускорить, таким образом невозможно когда-либо получить частицу со скоростью с.

В этой публикации 1905 года – "Зависит ли инерция тела от содержащейся внём энергии?" – Энштейн показал эту работу и распространил её на стационарные материи, показав, что масса в состоянии покоя содержит количество энергии, равное массе, умноженной на с2.

До Энштейна понятия массы и энергии расматривались полностью раздельно.

Он доказал, что принципы сохранения массы и сохранения энергии являются частью того же большего, унифицированного принципа сохранения массы-энергии.

Материю, можно превратить в энергию, а энергию можно превратить в материю, потому что существует фундаментальная связь между двумя типами вещества.

Если вам интересно более подробно узнать об отношениях массы и энергии, загляните в "Энштейн для чайников" или книгу Девида Боданиса "E=mc2: Биография самых знаменитых в мире уравнений".

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145361

Переводчики: Eva_tj