Теория относительности и ускорители частиц
Теория относительности, которая изучает законы движения материальных тел в пространстве и во времени, и квантовая механика, описывающая микромир с его особенностями, взаимно дополняют друг друга и являются теми инструментами, при помощи которых наука открывает новые законы и глубже познает природу.
В повседневной жизни мы встречаемся с чрезвычайно разнообразными процессами и явлениями, скорость протекания которых различна. Известно, что развитие животных и растений происходит в течение месяцев, лет и десятков лет. Но в природе существуют процессы, длительность которых измеряется миллионными и даже миллиардными долями секунды.
Так, электрическая искра, возникающая при разряде конденсатора, «живет» от долей микросекунды до нескольких сотен микросекунд, а время «жизни» некоторых «элементарных» частиц может составлять 10−14—10−15 секунды.
До появления приборов, с помощью которых можно было измерять такие малые промежутки времени, люди пользовались законами, справедливыми для небольших (по сравнению со скоростью света) скоростей. Вся классическая физика, и в частности механика, строилась на предположении о независимости хода процессов в материальной системе от скорости этой системы относительно других систем.
Принцип относительности Галилея, заключающийся в том, что никакими механическими опытами нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение системы, в которой находится наблюдатель, утверждал, что при сложении двух одинаково направленных скоростей v1 и v2 результирующая скорость равна v1 + v2. Однако, как выяснилось впоследствии, дело обстоит гораздо сложнее: при скорости v, соизмеримой со скоростью света с, действует иной закон сложения скоростей, а именно:
Подсчитаем результирующую скорость, гели v1 =v2=с. В этом случае
т. е. результирующая скорость также равна скорости света с. Но не противоречит ли полученный результат здравому смыслу? Почему же в действительности справедлив новый закон, а не старый?
Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить опыты Майкельсона, в результате которых удалось сделать поистине парадоксальный вывод: скорость света является абсолютно постоянной в любых движущихся материальных системах. Опыт Майкельсона иллюстрируется рис. 5.
Луч света от источника падает на полупрозрачное зеркало 3, где делится на два луча.
Луч, отраженный от зеркала, дойдя до отражателя О1 возвращается по тому же пути обратно и попадает на экран. Луч, прошедший через зеркало, дойдя до отражателя O2, возвращается к зеркалу, отражается от него и попадает на экран.
Таким образом, на экран падают одновременно два луча, колебания в которых имеют одну и ту же частоту и одинаковый сдвиг фаз. На экране можно наблюдать сложение (интерференцию) этих двух лучей в виде чередующихся светлых и темных полос.
Если бы существовал абсолютно неподвижный и неувлекаемый мировой эфир, то при движении Земли вокруг Солнца существовал бы «эфирный ветер».
В этом случае луч света, движущийся по направлению движения Земли, имел бы меньшую скорость, чем луч света, движущийся в противоположную сторону. Это должно было бы привести к изменению (смещению) интерференционных полос на экране при повороте всей системы относительно направления движения Земли.
Опыт показал, что никакого смещения интерференционных полос при вращении всей установки (при этом плечи I и II менялись местами) не произошло. Таким образом было доказано, что скорость света в движущейся системе постоянна и не зависит от скорости самой движущейся системы.
Наблюдение Де Ситтера за движением двойных звезд также доказало тот факт, что скорость света всегда постоянна.
Из этого сделали вывод, что постоянство скорости света — закон природы, его следует принимать во внимание и строить на нем теорию объективно существующего физического мира.
Здесь следует рассказать о теории относительности. Теория относительности, созданная Эйнштейном, по существу основывается на постоянстве скорости света и на так называемом принципе относительности, заключающемся в том, что никакими опытами (ни механическими, ни электромагнитными) нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение относительно пустого пространства.
Принцип относительности Эйнштейна является более общим по сравнению с принципом относительности Галилея. По Галилею относительно только движение, а по Эйнштейну относительными являются и такие величины, как длина, масса любого тела и временной интервал, т. е. промежуток времени, прошедший между двумя какими-либо причинно-связанными событиями.
«Необычность» выводов теории относительности таких, как замедление времени в движущихся по отношению к «неподвижному» наблюдателю системах, сокращение тел в направлении их движения и т. д., является прямым следствием постоянства скорости света.
Относительность хода времени в движущихся друг относительно друга материальных системах хорошо иллюстрирует следующий мысленный опыт, показывающий, что два причинно-обусловленные события, одновременные в одной системе, оказываются неодновременными в другой системе.
Представим себе космическую ракету с космонавтом, проносящуюся мимо нас со скоростью, близкой к скорости света. Допустим, что (космонавт находится в центре ракеты и может с помощью электрических сигналов или световых лучей, воспринимаемых фотоэлементами, включать и выключать две лампочки, находящиеся на равных расстояниях от него в головной и хвостовой частях ракеты.
Что же увидит космонавт при включении лампочек (рис. 6, а)?
Поскольку скорость света постоянна во всех системах, она будет постоянна и в движущейся ракете. Так как лампочки находятся на одинаковых расстояниях от космонавта, он увидит, что после подачи сигнала обе они зажгутся одновременно. Сигнал пройдет до обеих лампочек за одинаковое время, и свет от них придет к наблюдателю также одновременно.
Наблюдателю, мимо которого проносится космический корабль, будет казаться, что сигнал, движущийся по направлению движения ракеты, вынужден догонять устройство включения передней лампочки, задняя же лампочка вместе со своим приемным устройством включения будет двигаться навстречу сигналу, распространяющемуся против движения ракеты.
Таким образом, сигнал, движущийся навстречу движению ракеты, быстрее включит заднюю лампочку, чем сигнал, распространяющийся вперед, включит переднюю (рис. 6, б).
Значит, в то время как космонавт увидит одновременное загорание двух лампочек, «неподвижный» наблюдатель увидит, что лампочки зажгутся неодновременно. Этот простой пример показывает, что два причинно-обусловленных события, одновременные в одной системе, оказываются неодновременными в другой системе, т. е. что время не является чем-то абсолютным.
В настоящее время теория относительности настолько глубоко вошла в теоретическую физику, что такой ее раздел, как, например, механика больших скоростей, не мыслим без этой теории.