§ 35°. Кинематика движения тел с большими скоростями

Читатель мог заметить, что начиная с § 2, мы неоднократно напоминали, что при рассмотрении любых механических движений часы и линейки должны быть неподвижны относительно системы отсчета, в которой наблюдается движение.

Точно так же, начиная с § 7, мы делали оговорки о том, что ряд результатов, касающихся сложения движений, справедлив для движений с не очень большими скоростями. При этом не было дано никаких объяснений о смысле этих требований, не указывалось, что значит не очень большие скорости.

Теперь, когда мы ознакомились со всем, что необходимо для описания движения, можно ответить на вопросы о том, почему наши измерительные приборы должны быть неподвижны в системе отсчета и что значит не очень большие скорости.

Прежде всего попробуем разобраться в том, почему измерительные приборы должны быть неподвижны в системе отсчета?

Ответ на этот вопрос дает один важный и интересный опыт, который был проведен осенью 1972 г. На одном из аэродромов в два самолета одновременно сели два физика с точными современными атомными часами. Третьи часы оставались на аэродроме. Все часы перед вылетом были сверены. Самолеты одновременно поднялись в воздух и на высоте 10 км полетели со скоростью 1000 км/ч, один — на запад, другой — на восток. Самолеты совершили кругосветное путешествие и через двое суток сели на тот же аэродром. После посадки часы были снова сверены. При этом оказалось, что часы, которые летели на восток (по направлению вращения Земли), за время кругосветного путешествия отстали от земных часов на шесть стомиллионных долей секунды. Другие часы, которые летели на запад (против вращения Земли), убежали вперед на двадцать семь стомиллионных долей секунды. Таким образом, оказалось, что часы, двигающиеся по-разному, ходят неодинаково.

Для того чтобы разобраться в результатах опыта, посмотрим на наши часы глазами наблюдателя с какой-либо далекой звезды. Относительно этой звезды часы, оставшиеся на аэродроме, двигались вместе с земной поверхностью, участвовали в суточном вращении Земли и имели в этом суточном движении скорость около 2000 км/ч. Часы, летевшие на восток, добавили к скорости суточного движения еще 1000 км/ч и стали идти медленнее. У часов, летевших на запад, скорость движения стала на 1000 км/ч меньше, чем у земных, и они пошли быстрее.

Этот опыт показал, что часы идут тем медленнее, чем больше скорость, с которой они движутся относительно системы отсчета, связанной с далекими звездами.

Полное объяснение этому удивительному явлению дается в теории относительности, созданной А. Эйнштейном в 1905 г.

Теория относительности указывает, что в разных системах отсчета, равномерно и прямолинейно движущихся относительно далеких звезд, время течет по-разному. Чем больше скорость такой системы отсчета, тем медленнее в ней должно идти время. Величина замедления зависит от отношения скорости движения системы к скорости светового сигнала с. (Скорость световых сигналов равна примерно 300 000 км/с.)

Теория также указывает, что в таких системах отсчета должно одновременно происходить сокращение линейных размеров всех предметов и эталонов длины в направлении движения системы. Величина такого сокращения тоже зависит от этношения

Существование замедления времени и сокращения линейных размеров тел полностью объясняет наше требование о

неподвижности линеек и часов. Действительно, поскольку неподвижные и движущиеся часы ходят по-разному, то сопоставлять или складывать их показания без специальных расчетов уже нельзя.

Эти же явления позволяют ответить и на вопрос о том, что понимать под не очень большими скоростями. Так как замедление времени зависит от отношения то под не очень большими скоростями мы должны понимать скорости, которые малы по сравнению с 300 000 км/с. При этом все искажения, вносимые изменением хода времени и длин линеек, будут исчезающе малыми, и мы сможем их не учитывать.

Так же можно предугадать, что при больших скоростях (близких к 300 000 км/с) правила перехода из одной системы отсчета в другую будут носить более сложный характер, чем для медленных движений. Действительно, если вместе с движущимся предметом заставить двигаться часы, то любое изменение скорости этого предмета всегда будет сопровождаться и изменением хода часов, которое придется учитывать при расчетах самих изменений скорости.