Физика в технике - Г. Покровский

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.

Рис. 6. Для наблюдателя, находящегося в движущейся ракете, обе лампочки вспыхивают одновременно. Наблюдатель, мимо которого пролетает ракета, видит, что первой зажглась хвостовая лампочка

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.

Являясь наиболее точкой и общей, теория относительности открывает поистине неограниченные возможности в покорении человеком бесконечных просторов Вселенной.

В самом деле, если, с точки зрения «старой» физики, максимальное расстояние, на которое может проникнуть в космос человек, определяется всего несколькими десятками световых лет (при условии, что космический корабль будет двигаться со скоростью, близкой к скорости света), то на основании эффекта замедления времени для движущейся ракеты, предсказанного теорией относительности, человек в течение своей жизни может как угодно далеко проникнуть в мировое пространство.

С точки зрения земного наблюдателя, время на ракете будет замедляться в раз, т. е. при приближении скорости ракеты v к скорости света с эффект замедления времени будет все более и более значительным.

Так, при скорости v = 0,9с время на движущейся ракете будет идти в 2,3 раза медленнее, при v = 0,99с — в 7,1 раза, а при v = 0,999с — в 22,3 раза. При этом необходимо заметить, что приведенные формулы справедливы лишь для случая, когда время разгона ракеты значительно меньше всего времени полета.

Каким же образом можно разогнать ракету до таких больших скоростей?

Этого можно добиться с помощью фотонных двигателей, в которых тяга создается за счет давления мощного потока светового излучения на зеркало-отражатель, установленный на ракете. В настоящее время получение необходимых для этой цели световых потоков еще не представляется возможным из-за целого ряда физических и технических трудностей, однако можно не сомневаться, что с развитием физики и техники постройка таких двигателей станет возможной и звездолеты понесут отважных космонавтов к мирам других солнц, отдаленных от нашей солнечной системы на десятки и сотни миллионов световых лет.

Другим примером применения теории относительности являются ускорители заряженных элементарных частиц вещества (электронов, протонов, ионов).

Чтобы овладеть энергией, заключенной внутри ядра атомов, необходима знать его внутреннее строение.

Рис. 7. Схема линейного ускорителя заряженных частиц

Для этой цели еще в 30-х годах нынешнего столетия начались работы по созданию ускорителей заряженных частиц. Бомбардируя атомные ядра быстро движущимися частицами, например электронами или протонами, и изучая рассеяние этих частиц на ядрах-мишенях, можно получить сведения о структуре ядра и о ядерных силах.

Наряду с линейными ускорителями (рис. 7), в которых ускоряемые частицы, двигаясь прямолинейно, только один раз проходят участок разгона внешним электростатическим полем, широко применяются циклические ускорители — циклотроны, бетатроны, синхрофазотроны и др.

В циклических ускорителях частицы движутся по спирали или по замкнутому кругу, многократно пролетая участки разгона, где на них воздействует ускоряющее электрическое поле. При этом заряженные частицы поворачиваются постоянным магнитным полем, перпендикулярным к плоскости траектории частицы. В циклотроне (рис. 8) частицы ускоряются переменным электрическим полем, подводимым к двум полым полудискам — дуантам. Двигаясь по спирали внутри дуантов, частица, пролетая в зазоре между ними, попадает в электрическое поле, в результате чего ее энергия увеличивается. Если частота переменного электрического поля, подводимого к дуантам, равна частоте обращения ускоряемых частиц в камере циклотрона, то говорят, что в этом случае имеет место резонанс и ускорение возможно.

Рис. 8. Схема циклического ускорителя заряженных частиц (циклотрон)

При скоростях частиц, близких к скорости света, начинают сказываться эффекты, предсказываемые теорией относительности, которые приводят к увеличению массы ускоряемой частицы.

Период обращения частицы будет изменяться и перестанет быть равным постоянному периоду Т ускоряющего электрического поля. Это приведет к нарушению резонанса, в результате чего дальнейшее ускорение частиц станет невозможным. Таким образом, приходится изменять частоту ускоряющего электрического поля, чтобы в течение всего времени ускорения имел место резонанс.

Ускорители, в которых используют такой принцип, называют синхроциклотронами. В них можно разгонять протоны до энергий в миллиард электроновольт, в то время, как максимальная энергия ускоренных частиц в циклотроне не может превышать 100–200 миллионов электроновольт.

Для получения энергий частиц в миллиарды и десятки миллиардов электроновольт применяют синхрофазотроны, в которых наряду с изменяющимся по частоте переменным электрическим полем применяют и изменяющееся во времени магнитное поле. Благодаря этому траектория ускоряемых частиц близка к окружности.

В настоящее время созданы синхрофазотроны, позволяющие ускорять протоны до энергии в 30 миллиардов электроновольт.