Специальная Теория Относительности на пальцах™
Держу пари, любой читающий эти строки знает о существовании теории относительности. Скажу больше, могу поспорить, что в кругу ваших знакомых не найдется ни одного человека, который пусть мимоходом, пусть краем уха, никогда в жизни не слышал если не о Специальной Теории Относительности (СТО) per se, то хотя бы о ее эффектах. Про то, что существует некая полумифическая скорость света, при достижении которой начинаются творится разные чудеса - замедляется время, укорачиваются расстояния, увеличивается масса и так далее - слышали все. Что из-за этой скорости света, и по личной вине Альберта Эйнштейна, мы вряд ли в скором времени будем бороздить просторы Вселенной, иначе как продираясь через гипотетические кротовые норы и гиперпространственные туннели. И что убегая от космических пиратов или же наоборот имперских штурмовиков без включения гипер-драйва, ну, никак не обойтись.
Нет, я могу себе представить, что есть какое-то уединенное племя индейцев в дельте Амазонки, которые никогда не носили джинсов, не знали костров инквизиции и знать не знают об околосветовых перемещениях в пространстве.
Но что бывает человек умеющий читать и при этом ни разу не слышавший о космических ракетах и скорости света - в такое я поверить не могу.
Итак, вы умеете читать (а иначе вы бы не добрались бы до этой строчки), а значит принадлежите к большинству человечества. Тех, кто слышал о теории относительности, и скорее всего входит в одну из трех обширных групп.
Вы либо слышали и понимаете, что такое СТО (это самая маленькая группа), или слышали и вообще не понимаете, о чем там идет речь (группа побольше), или же вы что-то слышали, что-то знаете, даже какие-то формулы можете припомнить, например E=mc2... хотя стоп! это же не теория относительности! это же про какие-то микроскопические волно-частицы с кварками. Хотя вот же она, скорость света в квадрате в формулу входит, значит, все-таки оно... Наверное...
Короче, скорее всего вы входите в самую большую группу. Людей, которые слышали о теории относительности, но никак не могут уяснить, что там конкретно в ней происходит. Все эти замедления времени, близнецы, которые то стареют, то молодеют - положа руку на сердце, все это кажется какой-то малопонятной ерундой.
Кто сказал, что скорость света - максимальная скорость в принципе, и быстрее нее перемещаться в пространстве нельзя? Эйнштейн? А кто он такой, этот Эйнштейн? А если я завтра скажу, что скорость мысли быстрее скорости света, а скорость чувства еще быстрей - мне тоже дадут Нобелевскую Премию?
Почему нельзя двигаться быстрее скорости света? Почему замедляется время? Как можно разобраться во всех этих математических зарубах и философствованиях о природе вещей, причем, желательно без нудных формул и теорем, а чтобы по-нормальному так, по-человечески. Попроще, сильно попроще, чтобы можно было не только самому понять, но другим рассказать. Идеально, если объяснение будет умещаться в статус вконтактика, ну, или хотя бы в три-четыре абзаца. На пальцах™, именно пальцах™, никак не сложнее.
Давайте попробуем разобраться.
И сразу неприятная новость. Полностью разобраться в теории относительности и всех этих субсветовых скоростях без знания математики невозможно. Точка.
Стойте, стойте! Куда же вы! Подождите, я еще не закончил! Не будет никакой математики, не будет никаких формул, обещаю. Просто хотел в очередной раз напомнить - если вы действительно хотите понять каждую мелкую деталь, досконально изучить СТО (или любую другую физическую теорию) - придется начинать с математики, и чем нетривиальней теория, тем сложнее в ней будут формулы, и тем больше придется корпеть не над физикой как таковой, а над ее математическими аспектами. С этим ничего не поделаешь, королевских путей нет не только в геометрии, их вообще в науке не существует.
Но ведь вам и не нужны все эти детали до последней запятой, не так ли? Никто и не собирается лично запускать ракеты к Проксиме Центавра, да и расчеты орбиты Юпитера все реже встречаются в календарном списке задач на будущую неделю. Хотелось бы в общем осознать, что там эти ученые толкуют, составить свою внутреннюю картину мира, где все четко, логично и непротиворечиво. А для этого глубоко копать в математику и не надо, достаточно воспользоваться поиском аналогий, складывая из таких аналогий фигуру, не сильно сложней, чем фигура из пяти пальцев.
Однако не могу не заострить внимание снова и снова. Аналогии и объяснения на пальцах это не знания. Это мета-знания. Добрый помощник или неуклюжий костыль, смотря как взглянуть, на пути к настоящему знанию, не более. Если вы до конца разобрались в аналогиях и захотите большего - не стоит строить теории, основываясь лишь на этих фигурах из пальцев. Аналогии всегда слишком образны и более-менее лживы в той или иной степени.
Красивая фигура из пальцев не сделает вас экспертом. Если вы совсем ничего не понимали в СТО, возможно она поможет вам сделать первый шаг к пониманию. Если же вы уже хорошо знакомы с теорией относительности, может быть необычная аналогия даст возможность взглянуть на известные вещи под другим углом зрения. А поиск дырок в этой аналогии - развлечет и послужит неплохой гимнастикой для ума.
Короче, завязываю затянувшейся вводной частью, перейдем к основному блюду, перейдем к самой аналогии.
Хочется нам или нет, но одну вещь все же придется принять на веру. Не существует отдельного пространства и независимого от него времени. Есть единое пространство-время или spacetime по-английски. Идея эта не совсем уж с потолка взятая. Каждый из нас знает, что в мире есть три измерения (кстати, в качестве анонса, ждите пост из серии на пальцах™ "почему в нашем мире три измерения" уже на этой неделе!). Мы можем двигаться "вперед-назад" и "вправо-влево", а если бы у нас были крылья и мы могли бы летать как птицы, то познакомились бы еще с одним измерением "вверх-вниз". Кстати, с понятием "вниз" каждый обязательно знакомится в течении жизни, периодически отделываясь от него травмами разной степени тяжести, а вот понятие "вверх" для большинства так и остается несбыточной мечтой. Ну, или лифтом, в конце концов.
Со временем немного сложнее. Во времени нет никакого "вперед-назад", есть только вперед, но при некой доле фантазии можно себе представить эту самую ось времени как отдельную координату, а при хорошей доле этой самой фантазии, можно даже совместить три оси пространственных координат и одну временную в некую общую сущность пространства-времени. Чтобы не сильно морочить мозг двухмерными проекциями четырехмерных пространств, представим себе, что есть только одна пространственная координата, в сумме сразу отвечающая за все три. Кстати, там все просто, это же обычная теорема Пифагора, квадрат результирующей гипотенузы равен сумме квадратов катетов, только катетов у нас три, а не два, что никак не отменяет ни самого Пифагора, ни его теорему.
Короче, упростим четырехмерное пространство-время до двухмерного, исключительно из-за простоты рисования на экране. Одна ось графика у нас будет отвечать сразу за три пространственные координаты, а вторая единственную за временную. Если бы мы общались вживую, и я показывал вам пространство-время на реальных пальцах, можно было бы работать в трехмерности, а читатели, обладающие недюжей фантазией так вообще могут оставаться в четырех измерениях. Гимнастика для ума, она и есть гимнастика. Продвинутые спортсмены-фрезеровщики могут взять в руки гантели...
А теперь представьте, что когда-то давно, возможно в самой начальной точке существования, во время самого Большого Взрыва, каждому телу во Вселенной, каждому электрону, каждому атому, каждой звезде (хоть в момент Большого Взрыва звезд как таковых еще и не было) кто-то пнул под зад, т.е. говоря научным языком - придал некий "импульс", который я буду называть "изначальным импульсом" или "импульсом Большого Взрыва".
Да, не смейтесь. Я сам знаю, что никакого "импульса Большого Взрыва" не существует. Это и есть та самая образная аналогия на пальцах™, нет нужды в обвинениях, что я все это выдумал. Сам же признаюсь - выдумал. Исключительно в корыстных образовательных целях.
Так вот, этот самый импульс (пинок под зад) был задан сразу в четырех координатах, сразу во всем пространстве-времени. А как мы знаем, любой импульс только и делает, что стремится сохраниться, даже закон такой придумали - закон сохранения импульса.
И вот, любое тело, которое существует в нашей Вселенной сохраняет этот импульс, и продолжает по инерции двигаться вперед по оси времени, перемещаясь из прошлого в будущее. Ну, я думаю каждый читающий лично знает, каково это - перемещаться из прошлого в будущее, если кто не в курсе, потом как-нибудь продемонстрирую.
Но вот данное тело вдруг обрело разум (или получило уже другой, чисто пространственный пинок под зад) и решило двигаться не только во времени, но и перемещаться в пространстве. Село тело в ракету и отправилось в космическое путешествие. И вот какая штука получается. "Импульс общего движения" у тела всегда сохраняется неизменной величиной. Соответственно, чем больше тело перемещается по пространству (в смысле, чем больше его скорость перемещения по пространственной координате), тем меньше у этого тела остается перемещения по координате временной. Для сохранения общего "импульса Большого Взрыва", телу приходится выбирать - или быстро двигаться по пространству, и при этом существенно тормозить во времени, или же двигаться по пространству не очень быстро, а значит почти ничего не забирать из временной составляющей.
Вот и вся аналогия, вот и вся идея СТО на пальцах™.
Если мы движемся, т.е. перемещаемся по миру довольно медленно, весь наш "изначальный импульс" тратится на временную составляющую. То есть мы видим мир вокруг таким, каким привыкли - время течет привычной рекой, ничего не тормозит. Чем больше мы набрали скорости, тем меньше движения остается на оси времени, там зависимость не линейная, особенно когда мы начинаем подбираться к скорости света, но это лишь детали.
При движении со скоростью света мы полностью выбираем всю энергию "изначального импульса", и на время уже ничего не остается. Ведь изначальный импульс у каждого тела не бесконечен, и при желании его можно весь выбрать до конца. Это значит, что любой, кто движется по пространству со скоростью света полностью перестает двигаться по времени, для него время застывает. К слову, подобное удается лишь фотонам, безмассовым частицам. Для фотонов света времени в принципе не существует, у них нет ни прошлого ни будущего, для них всегда "сейчас".
Именно из-за этого невозможно двигаться в пространстве быстрее скорости света. Откуда энергию брать? Выше "изначального импульса" не прыгнешь, любые наши разгоны на ракетах по пространству - не более чем отбор энергии у временной составляющей. А скорость света тот предел, где времени больше не существует и брать уже нечего.
Нет, я могу себе представить, что есть какое-то уединенное племя индейцев в дельте Амазонки, которые никогда не носили джинсов, не знали костров инквизиции и знать не знают об околосветовых перемещениях в пространстве.
Но что бывает человек умеющий читать и при этом ни разу не слышавший о космических ракетах и скорости света - в такое я поверить не могу.
Итак, вы умеете читать (а иначе вы бы не добрались бы до этой строчки), а значит принадлежите к большинству человечества. Тех, кто слышал о теории относительности, и скорее всего входит в одну из трех обширных групп.
Вы либо слышали и понимаете, что такое СТО (это самая маленькая группа), или слышали и вообще не понимаете, о чем там идет речь (группа побольше), или же вы что-то слышали, что-то знаете, даже какие-то формулы можете припомнить, например E=mc2... хотя стоп! это же не теория относительности! это же про какие-то микроскопические волно-частицы с кварками. Хотя вот же она, скорость света в квадрате в формулу входит, значит, все-таки оно... Наверное...
Короче, скорее всего вы входите в самую большую группу. Людей, которые слышали о теории относительности, но никак не могут уяснить, что там конкретно в ней происходит. Все эти замедления времени, близнецы, которые то стареют, то молодеют - положа руку на сердце, все это кажется какой-то малопонятной ерундой.
Кто сказал, что скорость света - максимальная скорость в принципе, и быстрее нее перемещаться в пространстве нельзя? Эйнштейн? А кто он такой, этот Эйнштейн? А если я завтра скажу, что скорость мысли быстрее скорости света, а скорость чувства еще быстрей - мне тоже дадут Нобелевскую Премию?
Почему нельзя двигаться быстрее скорости света? Почему замедляется время? Как можно разобраться во всех этих математических зарубах и философствованиях о природе вещей, причем, желательно без нудных формул и теорем, а чтобы по-нормальному так, по-человечески. Попроще, сильно попроще, чтобы можно было не только самому понять, но другим рассказать. Идеально, если объяснение будет умещаться в статус вконтактика, ну, или хотя бы в три-четыре абзаца. На пальцах™, именно пальцах™, никак не сложнее.
Давайте попробуем разобраться.
И сразу неприятная новость. Полностью разобраться в теории относительности и всех этих субсветовых скоростях без знания математики невозможно. Точка.
Стойте, стойте! Куда же вы! Подождите, я еще не закончил! Не будет никакой математики, не будет никаких формул, обещаю. Просто хотел в очередной раз напомнить - если вы действительно хотите понять каждую мелкую деталь, досконально изучить СТО (или любую другую физическую теорию) - придется начинать с математики, и чем нетривиальней теория, тем сложнее в ней будут формулы, и тем больше придется корпеть не над физикой как таковой, а над ее математическими аспектами. С этим ничего не поделаешь, королевских путей нет не только в геометрии, их вообще в науке не существует.
Но ведь вам и не нужны все эти детали до последней запятой, не так ли? Никто и не собирается лично запускать ракеты к Проксиме Центавра, да и расчеты орбиты Юпитера все реже встречаются в календарном списке задач на будущую неделю. Хотелось бы в общем осознать, что там эти ученые толкуют, составить свою внутреннюю картину мира, где все четко, логично и непротиворечиво. А для этого глубоко копать в математику и не надо, достаточно воспользоваться поиском аналогий, складывая из таких аналогий фигуру, не сильно сложней, чем фигура из пяти пальцев.
Однако не могу не заострить внимание снова и снова. Аналогии и объяснения на пальцах это не знания. Это мета-знания. Добрый помощник или неуклюжий костыль, смотря как взглянуть, на пути к настоящему знанию, не более. Если вы до конца разобрались в аналогиях и захотите большего - не стоит строить теории, основываясь лишь на этих фигурах из пальцев. Аналогии всегда слишком образны и более-менее лживы в той или иной степени.
Красивая фигура из пальцев не сделает вас экспертом. Если вы совсем ничего не понимали в СТО, возможно она поможет вам сделать первый шаг к пониманию. Если же вы уже хорошо знакомы с теорией относительности, может быть необычная аналогия даст возможность взглянуть на известные вещи под другим углом зрения. А поиск дырок в этой аналогии - развлечет и послужит неплохой гимнастикой для ума.
Короче, завязываю затянувшейся вводной частью, перейдем к основному блюду, перейдем к самой аналогии.
Хочется нам или нет, но одну вещь все же придется принять на веру. Не существует отдельного пространства и независимого от него времени. Есть единое пространство-время или spacetime по-английски. Идея эта не совсем уж с потолка взятая. Каждый из нас знает, что в мире есть три измерения (кстати, в качестве анонса, ждите пост из серии на пальцах™ "почему в нашем мире три измерения" уже на этой неделе!). Мы можем двигаться "вперед-назад" и "вправо-влево", а если бы у нас были крылья и мы могли бы летать как птицы, то познакомились бы еще с одним измерением "вверх-вниз". Кстати, с понятием "вниз" каждый обязательно знакомится в течении жизни, периодически отделываясь от него травмами разной степени тяжести, а вот понятие "вверх" для большинства так и остается несбыточной мечтой. Ну, или лифтом, в конце концов.
Со временем немного сложнее. Во времени нет никакого "вперед-назад", есть только вперед, но при некой доле фантазии можно себе представить эту самую ось времени как отдельную координату, а при хорошей доле этой самой фантазии, можно даже совместить три оси пространственных координат и одну временную в некую общую сущность пространства-времени. Чтобы не сильно морочить мозг двухмерными проекциями четырехмерных пространств, представим себе, что есть только одна пространственная координата, в сумме сразу отвечающая за все три. Кстати, там все просто, это же обычная теорема Пифагора, квадрат результирующей гипотенузы равен сумме квадратов катетов, только катетов у нас три, а не два, что никак не отменяет ни самого Пифагора, ни его теорему.
Короче, упростим четырехмерное пространство-время до двухмерного, исключительно из-за простоты рисования на экране. Одна ось графика у нас будет отвечать сразу за три пространственные координаты, а вторая единственную за временную. Если бы мы общались вживую, и я показывал вам пространство-время на реальных пальцах, можно было бы работать в трехмерности, а читатели, обладающие недюжей фантазией так вообще могут оставаться в четырех измерениях. Гимнастика для ума, она и есть гимнастика. Продвинутые спортсмены-фрезеровщики могут взять в руки гантели...
А теперь представьте, что когда-то давно, возможно в самой начальной точке существования, во время самого Большого Взрыва, каждому телу во Вселенной, каждому электрону, каждому атому, каждой звезде (хоть в момент Большого Взрыва звезд как таковых еще и не было) кто-то пнул под зад, т.е. говоря научным языком - придал некий "импульс", который я буду называть "изначальным импульсом" или "импульсом Большого Взрыва".
Да, не смейтесь. Я сам знаю, что никакого "импульса Большого Взрыва" не существует. Это и есть та самая образная аналогия на пальцах™, нет нужды в обвинениях, что я все это выдумал. Сам же признаюсь - выдумал. Исключительно в корыстных образовательных целях.
Так вот, этот самый импульс (пинок под зад) был задан сразу в четырех координатах, сразу во всем пространстве-времени. А как мы знаем, любой импульс только и делает, что стремится сохраниться, даже закон такой придумали - закон сохранения импульса.
И вот, любое тело, которое существует в нашей Вселенной сохраняет этот импульс, и продолжает по инерции двигаться вперед по оси времени, перемещаясь из прошлого в будущее. Ну, я думаю каждый читающий лично знает, каково это - перемещаться из прошлого в будущее, если кто не в курсе, потом как-нибудь продемонстрирую.
Но вот данное тело вдруг обрело разум (или получило уже другой, чисто пространственный пинок под зад) и решило двигаться не только во времени, но и перемещаться в пространстве. Село тело в ракету и отправилось в космическое путешествие. И вот какая штука получается. "Импульс общего движения" у тела всегда сохраняется неизменной величиной. Соответственно, чем больше тело перемещается по пространству (в смысле, чем больше его скорость перемещения по пространственной координате), тем меньше у этого тела остается перемещения по координате временной. Для сохранения общего "импульса Большого Взрыва", телу приходится выбирать - или быстро двигаться по пространству, и при этом существенно тормозить во времени, или же двигаться по пространству не очень быстро, а значит почти ничего не забирать из временной составляющей.
Вот и вся аналогия, вот и вся идея СТО на пальцах™.
Если мы движемся, т.е. перемещаемся по миру довольно медленно, весь наш "изначальный импульс" тратится на временную составляющую. То есть мы видим мир вокруг таким, каким привыкли - время течет привычной рекой, ничего не тормозит. Чем больше мы набрали скорости, тем меньше движения остается на оси времени, там зависимость не линейная, особенно когда мы начинаем подбираться к скорости света, но это лишь детали.
При движении со скоростью света мы полностью выбираем всю энергию "изначального импульса", и на время уже ничего не остается. Ведь изначальный импульс у каждого тела не бесконечен, и при желании его можно весь выбрать до конца. Это значит, что любой, кто движется по пространству со скоростью света полностью перестает двигаться по времени, для него время застывает. К слову, подобное удается лишь фотонам, безмассовым частицам. Для фотонов света времени в принципе не существует, у них нет ни прошлого ни будущего, для них всегда "сейчас".
Именно из-за этого невозможно двигаться в пространстве быстрее скорости света. Откуда энергию брать? Выше "изначального импульса" не прыгнешь, любые наши разгоны на ракетах по пространству - не более чем отбор энергии у временной составляющей. А скорость света тот предел, где времени больше не существует и брать уже нечего.