Международный Фестиваль «Звезды Нового Века» icon

Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»



Смотрите также:
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века» Гороскоп Фестиваль...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века»...



скачать
Международный Фестиваль «Звезды Нового Века» - 2012

Естественные науки (от 14 до 17 лет)


«Самая удивительная скорость»

(исследовательский проект)


Автор работы: Василенко Ирина, 17 лет ученица 11 «А» класса,


Руководитель:

Игнатова Евгения Савельевна,

учитель физики

МБОУ СОШ № 16

города Кропоткин Краснодарского края

Россия


2011

ОГЛАВЛЕНИЕ:

1. Введение.

2. Основная часть.

2.1. Мир движения.

2.2. Скорости звезд.

2.3. Ни на что не похожая скорость.

2.4. «Сверхсветовое» излучение.

2.5. Как найти скорость света.

2.6. Чудесные превращения массы.

2.7. Кладовые энергии.

2.8. Ничто не превращается в ничто.

2.9. Абсолютная скорость.

2.10. Межзвездный полет.

2.11. «Парадокс близнецов».

2.12. Что было бы, если…

2.13. Современные исследования.

3. Заключение.

Источники информации.


Введение.

Гипотеза исследования: скорость света - фундаментальная физическая константа, от которой зависит облик Вселенной.

^ Цель проекта: изучить теории, опыты и эксперименты ученых по определению скорости света, ознакомиться с научно – фантастической литературой по теме.

Задачи:

1. Узнать, что же это за удивительная скорость, которая оказывается не относительной, а абсолютной? И каков вообще смысл самого понятия абсолютная скорость?

2. Проанализировать изменения облика окружающего мира при увеличении или уменьшении скорости света (с помощью научно-фантастических произведений).

План работы:

1.Выбор темы и формулировка проблемы.

2.Выбор методов исследования.

3.Сбор материалов.

4.Обобщение полученных данных. Выводы.

5.Оформление проекта.


2. Основная часть.

2.1 Мир движения.

Вселенная не знает покоя. Она вечно живая, изменяющаяся. Все в ней движется, распространяется, развивается. Не удивительно, что в этом царстве вечного движения одним из самых важных физических понятий является скорость.

Но точно так же, как безгранично разнообразны формы движения в природе, качественно различны и относящиеся к ним понятия скорости. Мы говорим : скорость падения камня, скорость роста цветка, скорость химической реакции… Всюду – скорость, но как различны они по своей сути. Это и скорость физическая, например скорость механического движения, и скорость химических, биологических, общественных процессов. Проще всего иметь дело именно с физической скоростью. Промчался автомобиль – какова его скорость? С какой скоростью распространяется звук в воздухе? Межпланетный корабль приобрел космическую скорость, – какова ее величина? В большинстве случаев ответ на подобные вопросы не представляют труда. Ведь каждому школьнику известно, что скорость – это путь, пройденный за секунду. Значит чтобы узнать величину скорости, нужно иметь в руках два измерительных прибора: метр и часы. Конечно, если скорость не постоянна, то дело несколько усложняется, но и тогда нетрудно определить среднюю скорость за данное время или на данном отрезке пути.

Точно так же решается, конечно, задача, когда нужно определить скорость собственного движения. Наверное, многим приходилось наблюдать, как на тренировках легкоатлеты или конькобежцы бегут с секундомером в руках. Старт! - секундомер включен. Финиш! – секундомер выключен. Столько-то метров пройдено за столько-то секунд - вот вам и скорость.

Однако как быть, если беговая дорожка сама… движется? Существуют, например, движущиеся тренировочные легкоатлетические полигоны, есть и специальные станки для тренировки велосипедистов . Но такие приспособления просто все-таки сравнительно редки , а вот в поезде ездил почти всякий. И всякий, конечно, сумеет определить свою скорость при движении по коридору вдоль вагона. Но тут придется иметь дело с двумя значениями скорости: относительно самого вагона и относительно железнодорожного пути. Никого, надо полагать, не удивит то обстоятельство, что хотя скорость движения пассажира вдоль вагона составляет, например, 6 км/час, относительно железнодорожного пути он движется со значительно большей скоростью, например 60 км/час. Значит, за одну и ту же минуту пассажир по вагону проходит 100 м, а километровые столбы, стоящие вдоль пути, засвидетельствуют, что путь пассажира равен вовсе на 100, а 1000 м.

Какова же истинная скорость пассажира – 100 или 1000 м/мин? Конечно, оба значения в равной мере справедливы и истинны, так как скорость относительна . И пока не указывается , относительно чего она измеряется , величина скорости просто не имеет никакого смысла .

^ 2. 2. Скорость звезд.

Между прочим, хотя и говорят о звездах, что они неподвижны, в действительности это не так. Пожалуй, Солнце - это еще одна из самых «тихоходных» звезд. Вот, например, одна из ближайших к нам звезд, открытая астрономом Барнардом, движется в 7 раз быстрее Солнца – ее скорость равна 140 км/c. Не удивительно, что из-за большой скорости ее иногда называют «летящей» звездой Барнарда. Но и эта скорость далеко не наибольшая в мире звезд. Самая быстрая звезда из известных (она находится в созвездии Цефея) движется со скоростью более 1000 км/с! Своеобразный рекордсмен звездного мира.

Однако это относится только к нашей Галактике. Что касается звезд, входящих в другие Галактики, то, оказывается, они обладают иной раз очень большой скоростью относительно Солнца, причем ни одна какая-нибудь звезда, а все звезды, входящие в галактику. Наиболее удаленные от нас галактики мчатся, со скоростью более 100 000 и даже 150 000 км/с! Вот где царство поистине огромных скоростей…


^ 2. 3. Ни на что не похожая скорость.

Но как бы то ни было, не вызывает ни малейших сомнений, что любая скорость, самая малая или самая большая, может быть измерена. Подобное измерение имеет смысл только в том случае, если точно определено, относительно чего (физики говорят – относительно какой системы координат) ведется это измерение. Все скорости относительны.

Эта очевидная истина, впервые научно сформулированная Галилеем три с лишним столетия назад, была практически известна людям, конечно, в глубокой древности. Но только полвека отделяет нас от того дня, когда наука установила, что эта истина хоть и бесспорна, но… ошибочна.

Конечно, прав Галилей – все скорости относительны и иными быть

просто не могут. Это правильно по отношению ко всем случаям, за

исключением одного – единственного. Есть, оказывается, в природе

скорость, на которую это всеобщее и бесспорное правило

не распространяется.

Уникальная абсолютная скорость, заслуженно занимающая совершенно особое место среди важнейших физических констант, - это скорость света, та скорость, с которой в вакууме распространяется свет. С такой именно скорость мчатся в вакууме «частицы света» - кванты, или фотоны. Это материальные частицы, как и все другие, из которых состоит окружающая нас Вселенная. Но от большинства элементарных частиц фотон отличается тем, что он не может находиться в покое. Фотон либо движется, либо вообще не существует, - это поистине какой-то «атом движения».

Фотон всегда движется, и скорость его движения в вакууме одна и та же. Как мы уже знаем (хотя еще, вероятно не очень хорошо понимаем), это не относительная, а абсолютная скорость. И наконец, это всегда постоянная по величине абсолютная скорость оказывается и наибольшей возможной в природе скоростью – ею может обладать только фотон, только он один; все остальное в природе движется медленнее. Разве не удивительна, на самом деле, эта необыкновенная физическая константа – скорость света в вакууме?

Судя по одному тому, что скорость света – наибольшая возможная в природе, она должна быть, очевидно, очень большой по величине. Мы уже упоминали гигантские звездные семейства, движущиеся со скоростью порядка 150 000 км/с. Как и следовало ожидать, встречаются еще большие скорости в мире мельчайших частиц, микромире.

Действительно, в лабораториях ядерной физики с помощью специальных установок, так называемых ускорителей, служащих, как показывает само их название для разгона мельчайших частиц вещества, удается достигать колоссальных скоростей движения. Электроны, протоны, альфа-частицы (то есть ядра атома гелия) и другие микрочастицы разгоняются иногда до скоростей, очень близких к скорости света. Еще большей скоростью обладают некоторые частицы, рождающиеся, где-то в глубинах космоса, в далеких галактиках, и изредка врывающиеся в земную атмосферу. Эти сверхбыстрые частицы, входящие в состав так называемой первичной компоненты космический лучей, сигнализируют ученым о каких-то грандиозных по масштабам космических катаклизмах, отзвуками которых они являются. Скорость таких частиц еще ближе к скорости света, иной раз она отличается от этой последней на относительно ничтожную величину, на какие-то доли процента.

И все же обязательно отличается. Еще ни разу не было случая, чтобы скорость какой- либо частицы оказалась равной скорости света в вакууме или тем более превзошла ее. И науке теперь ясно, что этого и не может быть.

^ 2.4 Сверхсветовое излучение.

Иногда в научной литературе можно встретить термин «сверхсветовая скорость». Известен даже особый вид излучения, испускаемого частицами, движущимися с такой «сверхсветовой» скоростью; это излучение, открытое и изученное советскими физиками, получило название излучение Черенкова – Вавилова. Значит, скорость света может быть превышена? Где же тогда, правда?

Но никакого противоречия нет и здесь. Действительно, когда какая-нибудь частица, например электрон, движется со скоростью, большей, чем скорость света, то при этом рождается излучение. А свет распространяется в разных средах с различной скоростью, причем обязательно меньшей, чем в вакууме (например, в алмазе скорость света равна «всего» 125 000 км/с). Поэтому-то и может случиться, что в каком-нибудь веществе, хотя бы в той же воде, скорость частицы, например электрона, больше, чем скорость фотона, то есть скорость света в этом веществе. Но, конечно, скорость света в вакууме всегда остается недостижимым идеалом. Как всякий истинный идеал.

^ 2. 5. Как найти скорость света?

Чему же равна скорость света в вакууме, эта удивительная, ни на что не похожая скорость? Совершенно очевидно, насколько важно для ученых точно знать величину скорости света.

В 1675 году было получено первое, приближенное значение этой скорости. Опытным путем датский астроном Олаф Ремер определил скорость света по наблюдениям затмений спутников планеты Юпитер. Промежутки между затмениями были больше, когда Земля удалялась от Юпитера, чем когда она приближалась к нему. По его измерениям скорость света равнялась 215 000 км/с. Ученые ставят все новые и новые опыты с целью более точного определения скорости света.

Вероятно, наилучшим, наиболее точным значением скорости света является величина, равная 299 792,5 км/c. Неточность в этом случае не превышает 400 м/с. В абсолютном большинстве случаев приятно округлять эту величину и считать скорость света в вакууме равной 300 000 км/с. Вот это и есть то самое знаменитое с («це» латинское), которое входит во многие фундаментальные уравнения современной физики.

Интересно, что в опыте, в котором было получено приведенное выше наиболее точное значение скорости света, в действительности непосредственно определялась не скорость света!

С чем же имели дело ученые в проведенном ими опыте, если не со светом? Оказывается, с радиоволнами. Но разве это одно и то же?

И да, и нет. Да, так как и световые и радиоволны по своей природе - они представляют собой электромагнитные волны, колебания электромагнит-

ного поля. Это было установлено великим английским физиком

Максвеллом. Но вместе с тем и нет, потому что частота световых и

радиоволн сильно разнится - световые колебания характерны гораздо

большей частотой, чем у радиоволн. Следовательно, квант видимого

света обладает большей энергией, чем радио-квант.

Поскольку перед экспериментаторами стояла задача определения скорости света, а скорость распространения всех электромагнитных волн одна и та же, то, естественно, они имели полное право вместо света иметь дело с радиоволнами.

Многократные измерения, произведенные на земле, подтвердили, в пределах достигнутой точности, одинаковые значения скорости распространения электромагнитных волн различной частоты. Совсем недавно подобный эксперимент удалось впервые поставить и в космических масштабах. Авторами этого эксперимента были ученые-астрофизики, а «прибором», который они использовали, стали так называемы звезды-вспышки, название которых раскрывает особенности их «характера».

При каждой вспышке этих своеобразных звезд резко, скачком возрастает как обычная яркость, так и радиояркость звезды, то есть увеличивается интенсивность ее светового и радиоизлучения. Астрономы Ловелл (Англия) и Уиппл (США) установили, что, хотя расстояние до наблюдавшейся ими звезды-вспышки составляло примерно 50 световых лет (то есть свет проходил это расстояние за 50 лет), вспышки света и радиосигналов наблюдались практически одновременно. Из этого был сделан неопровержимый вывод, что скорости распространения обоих видов электромагнитных волн могут различаться не более чем на одну миллионную долю, то есть, во всяком случае, практически они равны между собой.

Итак, для определения скорости света опыт велся не со светом, а с радиоволнами, причем использовались ультракороткие волны миллиметрового диапазона. Но что же измеряли ученые в опыте, если не скорость распространения волны?

Вот тут-то и пригодилась особенность использованных в опыте радиоволн, именно их точно известная частота. Ведь легко видеть, что частота любых волн и скорость их распространения тесно связаны между собой через длину волны. Если в секунду «рождается» известное число волн (частота) и известно расстояние между двумя соседними волнами (длина волны), то, очевидно, произведение частоты на длину и есть путь, пройденный волной за секунду, то есть скорость волны. И поскольку частота была известна, то для определения скорости нужно было лишь точно измерить длину волны. В этом и заключается опыт. Длина волны измерялась в нем с помощью прибора, использующего явления так называемой интерференции (взаимодействия волн).

Современная наука считает постоянство скорости света одной из бесспорных, неопровержимых истин. И если эта истина, тем не менее, время от времени подвергается ожесточенным нападкам, то и это идет ей на пользу, так как из всех подобных баталий она выходит еще более укрепившейся.

^ 2.6. Чудесные превращения массы.

Скорость света есть максимально возможная в природе скорость движения, что ни достичь, не превзойти ее ни одно материальное тело, за исключением фотона, не может.

На первый взгляд, в самом этом утверждении есть внутреннее, легко устанавливаемое противоречие. На самом деле, ведь известно (это следует просто из закона сохранения энергии), что кинетическая энергия любого движущегося тела может неограниченно возрастать, если к этому телу подводить энергию извне. Но тогда, значит, и скорость движения тоже должна возрастать неограниченно?

И чтобы разобраться в том, что происходит на самом деле при разгоне движущегося тела, нужно исходить как раз из того, что скорость света достигнута быть не может. К каким же следствиям приводит это исходное непререкаемое требование? И как согласовать его, в конце концов, с законом сохранения энергии?

Разумеется, закон сохранения энергии, впервые сформулированный еще Ломоносовым, безупречно верен во всех случаях, при всех обстоятельствах. Но развитие науки со временем обогатило этот закон, наполнило его новым содержанием. К такому выводу первым пришел Эйнштейн более полувека назад, и сделал он этот вывод на основе заключения о постоянстве скорости света и недостижимости ее для всех движущихся тел.

Если к движущемуся телу подводить неограниченно большое количество энергии, то при этом будет неограниченно возрастать и кинетическая энергия тела. Эта энергия равна, как известно, mU2/2 , где m- масса тела, а U- скорость его движения. Во все времена для физиков масса тела была его основной характеристикой, мерой находящегося в нем вещества. Естественно, что эта величина для движущегося тела остается неизменной (ведь количество вещества в теле не убывает и не возрастает). А следствием этого очевидного факта является неограниченное возрастание скорости тела U, когда растет его кинетическая энергия mU2/2.

Но как быть, если в действительности рост U ограничен и скорость может лишь приближаться к скорости света с, но никогда ее не достигнет.

Величина массы вовсе не остается постоянной, что она неизбежно должна возрастать по мере увеличения скорости движения: если не растет один множитель, то должен расти другой, чтобы их произведение увеличивалось. Итак, когда увеличивается кинетическая энергия тела, то это происходит и за счет роста скорости U, и за счет массы m. При малых скоростях движения масса меняется мало, так как и энергия мала, но когда скорость движения становится большой, то и энергия тела велика, и в этих условиях масса тела начинается уже возрастать стремительно.

Оказывается масса тела, вовсе не есть нечто фиксированное, застывшее, постоянное - она прямо зависит от энергии тела. Чем больше энергия, тем больше и масса, причем их взаимозависимость такова, что при движениях, близких к скорости света, даже ничтожному увеличению скорости соответствует огромное возрастание энергии тела и, следовательно, его массы. Поэтому-то и нельзя достичь скорости света. Уравнения, полученные Эйнштейном, показывают, что движению со скоростью света соответствуют бесконечно большие значение энергии и массы тела. Это, конечно, невозможно.

Но как поступить с телом, которое совсем не движется? Его кинетическая энергия равна нулю, а масса, тем не менее существует, она вовсе не равна нулю. Где же тут пресловутая «эквивалентность», взаимозависимость массы и энергии?

Да вот, к примеру, представим себе идущих по тротуару и мирно беседующих пешеходов. Что же, если их скорость одинакова, то, значит, и массы тоже должны быть равны? Но ведь даже простым глазом видно, что один из них щуплый и тщедушный, а другой – настоящий гигант. Нет, тут явно что-то не то…

Не удивительно, что Эйнштейн, чтобы преодолеть эту трудность, должен был сделать еще один логический шаг, высказав утверждения, что и в покое каждое тело обладает энергией пропорциональной его массе. Конечно, это же потенциальная, а не кинетическая энергия, она скрыта в веществе, но, как всякая потенциальная энергия, при некоторых условиях может быть выделена и использована.

Поэтому, по Эйнштейну, полная энергия любого движущегося тела складывается из двух частей: потенциальной энергии, пропорциональной массе неподвижного тела (или так называемой массе покоя, как принято ее назвать в науке), и кинетической энергии, с которой связано определенное увеличение массы тела по сравнению с массой покоя. Впрочем, конечно, это увеличение массы вовсе не обязательно может быть вызвано именно кинетической энергией: любая энергия, сообщенная телу, увеличивает его массу. Так масса нагретого тела больше, чем холодного, электрически заряженного – больше, чем нейтрального, и т. д.

Вот теперь уже закон сохранения энергии будет соблюдаться с непререкаемой точностью. Конечно, энергия, которую подводят к телу, движущемуся со световой скоростью, никуда не пропадает. Хотя скорость тела не возрастает, зато растет его масса. В результате общая энергия тела возрастает как раз на величину энергии подведенной к нему извне.

Какова же, потенциальная энергии покоящегося тела? Как численно связана эта величина с массой покоя тела?


Пожалуй, несколько неожиданно такой связью является… скорость света в вакууме, то есть величина c. Эта связь устанавливается знаменитым уравнением Эйнштейна:

E=mc2,

Где, как легко видеть, E – энергия тела, а m – его масса покоя.

Это фундаментальное уравнение современной физики неожиданным кажется лишь на первый взгляд. В действительности, конечно, оно раскрывает наиболее глубинные, коренные свойства материи в природе.

Наука накопила уже огромное количество экспериментальных доказательств абсолютной справедливости этого уравнения, как, впрочем, правильности и других идей Эйнштейна, лежащих в основе созданной им, так называемой теории относительности. Действительно, как можно рассчитать движение электронов или протонов, разгоняемых в каком-нибудь циклотроне или другом ускорителе, если не знать, что масса этих частиц при больших, околосветовых скоростях движения может стать в тысячи раз больше их массы покоя? Так, например, на электронных ускорителях сейчас получают сверхбыстрые, или ультрарелятивистские, частицы, масса которых в результате разгона возрастает в 10 – 20 тысяч раз!

Или как можно составить энергетический баланс какой- либо ядерной реакции, рассчитать атомный котел или взрыв водородной бомбы, если не знать, каков «дефект массы» этой реакции, то есть насколько уменьшается масса ядерного горючего в результате выделения его потенциальной энергии?

Как видно, теория относительности уже давно стала необходимой не только ученому, но и инженеру. А мы помним, что, по существу, само появления этой энергии связано с необыкновенными свойствами нашей уникальной физической константы – скорости света.

Полученное Эйнштейном соотношение между массой и энергией отчетливо показывает, между прочим, почему люди с полным правом могли до самого последнего времени считать во всех встречающихся случаях массу любого тела постоянной. Они при этом практически вовсе не ошибались - ничего удивительного не было в том, что в повседневной практике, да, впрочем, и в технике тоже, изменение массы тел, обусловленное изменением их энергии, оставалось просто незамеченным. Чтобы заметить изменение массы, нужна поистине колоссальная энергия – ведь это изменение равно энергии, деленной на скорость света в квадрате! Скорость света так велика, что изменения массы становится заметным только тогда, когда энергия очень велика. Нельзя заметить «утяжеление» раскаленной электрической плитки по сравнению с холодной или бегущего человека по сравнению со стоящим. Тут разница составляет такие малые доли грамма, что они неощутимы ни на каких чувствительных весах. Впрочем, современная техника позволяет построить весы, с помощью которых можно будет обнаружить увеличение веса стальной болванки весом в 1 кг при ее нагреве на 3000; это увеличение составит всего одну миллиардную долю грамма!

^ 2.7. Кладовые энергии.

Начало атомного века радикально изменило положение. В недрах атомного ядра заключена столь большая энергия, что её высвобождение уже существенно уменьшает массу ядра, «дефект массы» при этом становится уже вполне измеримым. Действительно, продукты «сгорания» ядерного горючего в атомном котле, то есть продукты происходящего в этом котле цепного процесса деления ядер урана или плутония, имеют массу примерно на 0,1% меньшую, чем исходная масса горючего. Всего одна десятая процента, а какая колоссальная энергия!

Легко видеть, что наука ещё только-только подбирается к неиссякаемым кладовым энергии, которые пока природа держит крепко на замке. В этих кладовых содержится в тысячу раз больше энергии, чем удается извлечь из ядер атомов урана. И что самое главное, таким в тысячу раз большим запасом энергии обладает любой атом, все вещества в природе. Обыкновенная вода, песок, камни – все является потенциальным сверхкалорийным «топливом», все таит в себе энергию: в каждом грамме её содержится столько же, сколько в 2000 т высококачественного бензина! Научись мы выделять и использовать эту энергию, и все проблемы запасов энергии, столь нужной человечеству, были бы сняты.

^ 2.8. Ничто не превращается в ничто.

Правда, уже известны природные процессы, когда выделяется именно вся энергия, полностью. Так случается, например, при столкновении электрона с его «близнецом», отличающимся только знаком электрического заряда - позитроном. В результате подобного столкновения и происходит полное исчерпание той кладовой энергии, какой являются обе сталкивающиеся элементарные частицы. Эта энергия уносится квантами излучения, мощными фотонами гамма-лучей.

А что происходит с самими сталкивающимися частицами? Раз вся их энергия израсходована, то и масса, очевидно, становится равной нулю! Частицы исчезают, как привидения. Не удивительно, что и сам этот процесс ученые назвали аннигиляцией, что по-латыни означает «превращение в ничто».

Ну конечно, аннигиляция электрона с позитроном, как и любой другой частицы с античастицей, - это никакое не превращение в ничто. Ведь масса частиц, участвующих в таком столкновении, остается неизменной, только вначале это была масса электрона и позитрона, а затем такая же по величине масса фотонов. Фотоны не обладают массой покоя. И энергия, естественно, не исчезает, только вначале это была потенциальная энергия частиц вещества, а затем - такая же по величине энергия излучения, энергия электромагнитного поля. Так что оба фундаментальных физических закона сохранения -вещества и энергии остаются, разумеется, несомненными.

^ 2.9. Абсолютная скорость.

Другое уникальное свойство скорости света - то, что эта скорость, единственная из всех, является абсолютной. Её величина во всех случаях остается одной и той же!

Но что все-таки значит - абсолютная скорость? Ведь жизненный опыт каждого из нас, многовековой опыт всего человечества убеждает в том, что все скорости всегда относительны. Эта относительность является важнейшей частью самого понятия «скорость». И вдруг…оказывается, где бы ни находился наблюдатель - хронометрист, определяющий скорость движения фотонов вдоль вагона, - в самом вагоне (как наш сосед по купе), у железнодорожного пути (как обходчик) или даже в вагоне встречного поезда, все равно результат эксперимента был бы одним и тем же! Во всех случаях измеренная скорость фотонов была бы в точности равна с.

Этот кажущийся невероятным результат был впервые получен в известном, ставшем историческим опыте американских физиков Альберта Майкельсона и Эдуарда Морли в 1887 году. С тех пор подобные опыты, целью которых была попытка отличить движение от покоя путем измерения скорости света, повторялись другими учеными бесчисленное множество раз и всегда с одним результатом. Во всех случаях скорость света была одной и той же, вне зависимости от того, неподвижен источник света или движется с какой угодно скоростью. Абсолютный характер скорости света неизменно подтверждался. Даже если навстречу друг другу мчатся два фотона, все равно их относительная скорость тоже равна только с, а не 2с, как это следовало бы по законам классической механики!

^ 2.10. Межзвездный полет.

Оказывается, все явления в какой-нибудь движущейся системе будут восприниматься по-разному наблюдателем, находящимся в этой же системе, то есть неподвижным относительно нее, и наблюдателем в какой-нибудь другой системе, движущимся относительно первой с какой-либо постоянной скоростью. Допустим, например, что первая система - это Земля, а вторая - мчащаяся в космосе ракета, причем скорость прямолинейного и равномерного движения этой ракеты относительно Земли есть U. Если скорость U мала по сравнению со скоростью света , то разница в том, что регистрируют оба наблюдателя - на Земле и на ракете, будет практически неощутимой. Все измерения времени и длины будут одними и теми же, вне зависимости от того, какой наблюдатель (на Земле или на ракете) производит эти измерения и где именно он их производит (на Земле или на ракете).

Иное дело, если скорость ракеты U очень велика, близка к скорости света; такие околосветные скорости называются релятивистскими скоростями, а механика, изучающая движение с подобными скоростями – релятивистской механикой. В этом случае события, одновременные в одной системе (на Земле или на ракете), покажутся уже неодновременными для наблюдателя из другой системы. Течение времени в «своей» и «чужой» системе тоже будет иным. В «своей» системе оно будет более ускоренным, чем в «чужой».

Чем больше скорость ракеты U, то есть относительная скорость обоих наблюдателей, тем больше это замедление времени; на релятивистской ракете оно может стать очень значительным. Для земных наблюдателей, например, секунда на ракете может быть равной собственному… году или, если хотите, даже и столетию. Но тогда и наблюдатель на ракете будет точно так же считать часы на Земле практически остановившимися - ведь за год их стрелки сдвинутся всего лишь на секунду.

Эффект замедления времени на околосветовой, или релятивистской, ракете, фантастические возможности, которые открывает полет с такой скоростью, послужили поводом для шуточного стихотворения известного советского поэта С.Я. Маршака:

Сегодня в полдень пущена ракета,

Она летит чуть медленнее света.

И долетит до цели в шесть утра…

Вчера.

Разумеется, это только шутка, но релятивистское замедление времени вовсе не шутка. Это бесспорный научный вывод. Однако можно ли проверить истинность этого релятивистского замедления на опыте? Таким доказательством послужила одна из известных науке элементарных частиц, так называемый мюон, или мю-мезон. Мюоны образуются в результате столкновения сверхбыстрых частиц, входящих в состав космических лучей, с атомами верхних слоев земной атмосферы. К сожалению, продолжительность жизни мюонов очень невелика - они почти мгновенно распадаются после образования (через 2 миллионных доли секунды), вследствие чего поверхности Земли достичь не могут, так как способны пролететь за это время даже при своей огромной скорости всего чуть больше полкилометра.

Скорость ракет пока еще намного меньше релятивистской. При достигнутых в ракетной технике и космонавтике скоростях величина замедления оказывается ничтожно малой. Например, для корабля «Восток-5» с космонавтом Валерием Быковским замедление времени за все 119 часов полета составило примерно 0,0002 с.

^ 2.11. «Парадокс «близнецов».

А что, если космическая ракета совершит замкнутый полет, то есть стартует с Земли и возвратится на нее, разогнавшись в пути до световой скорости? Ведь тогда появится счастливая возможность непосредственно сравнить показания часов, оставшихся на Земле и возвратившихся из космоса. Что даст такое сравнение? Часы будут показывать одинаковое время или разное? А если разное, то в чем будет эта разница?

А это значит, что, часы покажут разное время - часы, совершившие полет, будут отставать. И тем сильнее, чем больше была длительность релятивистского полета. Именно таков вывод теории, известный под названием «парадокса часов» - парадокса, так как по первому впечатлению относительность движения должна бы привести к тому, что для наблюдателей на ракете, наоборот, часы на Земле отстают. Но здесь решают особенности процессов разгона и торможения ракеты, для Земли эти процессы отсутствуют.

Этот же парадокс называют иногда и «парадоксом близнецов».




Если часы будут «живыми», например, в виде двух братьев близнецов, из которых один останется на Земле, а другой совершит релятивистский полет с возвращением, то «космический» близнец окажется моложе своего «земного» брата. Придет время, и космические корабли будут возвращаться из далеких звездных экспедиций. Экипажи этих кораблей могут не только не застать в живых своих сверстников, но за время их жизни, проведенной в полете, на Земле может «промелькнуть» жизнь многих поколений. Так скажется замедление времени на быстролетящем корабле.

^ 2.12. Что было бы, если…

Представим себе, что одна из самых фундаментальных физических констант - скорость света – возросла в 10 раз. Теперь она уже не триста тысяч, а три миллиона км/с. Что изменилось бы из-за этого в мире?

Луч света от Солнца пробегает теперь свой путь к земле не за 8,5 минут, а меньше чем за минуту. Ну и что же? Разве мы когда-нибудь в повседневной жизни думаем о длительности полета «солнечных» фотонов до встречи с Землей? Не все ли равно…

Непривычным станет соотношение между частотой световых колебаний и длиной волны света. Ведь произведение λ*ν равно, очевидно, скорости света с и теперь это произведение возросло в 10 раз. Значит, прежней частоте будет соответствовать в 10 раз большая длина волны. Придется, очевидно, переградуировать шкалы диапазонов на радиоприемниках, но это не так уж сложно: нынешние короткие волны станут средними, только и всего. Потребуют переделки и радиолокаторы, и ускорители элементарных частиц, и еще многие радиоэлектронные устройства, но и это еще не беда.

А вот скажется ли это на цветовой гамме окружающей нас Вселенной, сразу и не сообразишь. Отчего мы видим небо синим, а листья зелеными? Это восприятие цвета зависит от длины волны соответствующего цвета или от его частоты? В действительности такой вопрос не имеет смысла, ибо частота и длина волны однозначно связаны между собой скоростью света. А если эта скорость возрастет в 10 раз? На что, собственно, реагируют светочувствительные клетки нашего глаза - на частоту воспринимаемых световых волн, то есть число волн в секунду, или на их длину? Если на длину волны, то голубой квант может восприниматься глазом уже как красный, нет, даже инфракрасный. Тогда облик видимого мира изменится радикально - видимый мир станет невидимым, а увидим мы только предметы испускающие… рентгеновы лучи. Для нас видимым станет рентгеновский участок электромагнитного спектра - это совершенно преобразит видимую Вселенную!

Однако будет ли Солнце излучать свет по-прежнему? Пожалуй, нет. Если идущая в недрах Солнца термоядерная реакция сохранит свой характер, то сохранится и «дефект массы» этой реакции. Следовательно, масса атомов, участвующих в реакции, будет уменьшаться в результате этой реакции по-прежнему на одну и ту же величину. Но зато выделяющаяся в результате реакции энергия возрастет в 100 раз, ибо, по уравнению Эйнштейна, эта энергия равна дефекту массы, умноженному на квадрат скорости света, а скорость света возросла в 10 раз.

Увеличение высвобождающейся термоядерной энергии вызовет стремительный разогрев Солнца. Если даже при этом не изменится характер ядерных реакций на Солнце, то энергия, которую Солнце шлет на Землю, возрастет тоже в 100 раз.

Релятивистский полет к звездам с использованием замедления времени стал бы, вероятно, и вовсе недостижимой мечтой - где уж тут думать о приближении к такой колоссальной скорости света!

Но, может быть, более привлекательным будет мир, в котором скорость света не увеличится, а уменьшится в 10 раз и станет равной 30 000 км/с?

Впервые физическая модель мира с малой скоростью света была описана А.Беляевым в рассказе «Светопреставление».




Автор описал мир, в котором скорость света уменьшилась до нескольких метров в секунду. Скорость света неожиданно стала такой низкой, что свет проходил 1 м за 6 мин 58 сек (14,4 см/мин). Человек мог видеть себя же самого в кресле, с которого он давно встал, или призрак уже уехавшего трамвая. Предметы проявлялись лишь по прошествии времени. Это вызвало огромные жертвы и нарушило обычную жизнь, но постепенно люди стали адаптироваться к изменившемуся миру. Люди в рассказе свободно перемещаются быстрее света, наблюдая при этом любопытные картины, как бы продвигаясь вспять времени. Уменьшение скорости света понадобилось писателю скорее как условный прием.

Другая попытка моделировать физические эффекты, сопутствующие теории относительности, была предпринята в фантастической повести Т.Гнединой «Беглец с чужим временем».

Автор жестко придерживается двух физических моделей - двух

миров. В одном из них скорость света равна 15 км/ч. Герой романа

попадал из европейского города в фантастический городок

Гаммельн,ощущая в повседневной жизни эффекты, которые

предсказывал Эйнштейн.

Если сохраняется прежней масса, то энергия, в соответствии с уравнением Эйнштейна, уменьшится в 100 раз. Солнце практически угаснет, а жизнь на земном шаре станет невозможной. В результате резкого сжатия звезд из-за уменьшения лучистого давления одни звезды могут «взорваться», другие станут «нейтронными» - снова бесчисленные звездные катастрофы. Микромир станет гораздо более медленным: ведь теперь многие элементарные частицы обладают скоростью гораздо большей, чем 30 000 км/с, а такие скорости окажутся невозможными. Чтобы сохранилась энергия частиц при уменьшившейся скорости, должна будет резко увеличиться их масса - это резко изменит многие процессы микромира. А «разбегающиеся» галактики со скоростью 100 и даже 150 тысяч км/с! Их масса также колоссально увеличится.

Зато куда реальней станет перспектива межзвездного полета! Ведь теперь достичь релятивистской световой скорости будет гораздо легче. Может быть, успехи космонавтики позволят людям перелететь со ставшей негостеприимной Земли куда-нибудь на Марс, а то и подальше?

Да нет уж, лучше оставаться на нашей настоящей Земле…

^ 2.13. Современные исследования.

26.09.2011-В прямом эфире появилась следующая информация. «Сегодня под Женевой в крупнейшей на планете лаборатории ядерных исследований созвали экстренный симпозиум, чтобы обсудить сенсационное открытие, которое показалось невероятным даже тем, кто его совершил. Ученые зафиксировали превышение скорости света, быстрее которой, как считалось со времен Эйнштейна, в этом мире ничего нет. Если результаты эксперимента подтвердят другие лаборатории, теория относительности, на которой построена вся современная физика, может быть опровергнута. Как и наши представления о мироустройстве. Опасаясь собственных выводов, ученые центра ядерных исследований обратились к коллегам - скептикам, каковых, по свидетельству корреспондента НТВ Сергея Морозова, оказалось немало.

Пучок нейтрино, направленный из Европейского центра ядерных исследований (CERN) в подземную лабораторию ^ Гран - Сассо в Италии, преодолел 723 км и прибыл в пункт назначения на 60 наносекунд раньше расчётного времени. Это означает, что частицы передвигались со скоростью, превышающей скорость света.




В конце сентября международная группа ученых заявила о том, что в ходе продолжительных масштабных экспериментов в рамках программы OPERA им удалось разогнать нейтрино выше скорости света. Недавно они выступили с новым заявлением, сообщив, что результаты были подтверждены и после исключения нескольких факторов, которые могли повлиять на их точность. Тем не менее, другая группа физиков утверждает: скорость света превысить нельзя. Однако ученые из проекта ICARUS выступили с опровержением. Они провели свои эксперименты в лаборатории Гран Сассо, в ходе которых им удалось подтвердить, что скорость света является предельной скоростью движения частиц, а в исследования, якобы опровергающие теорию относительности Эйнштейна, закрались ошибки. По словам физиков, если бы нейтрино перемещались быстрее фотонов, они бы потеряли большую часть своей энергии. Но на самом деле оборудование зафиксировало энергетический спектр, соответствующий частичке, передвигающейся со скоростью света, и не более того.

Сейчас готовятся подобные эксперименты в американской ускорительной лаборатории имени ферми (Fermilab) и японской лаборатории КЕК. Если результаты проекта OPERA подтвердятся в этих учреждениях, то можно будет говорить об открытии.

Но теперь все стало на свои места, нейтрино никогда не двигались с такой скоростью, а теория относительности осталась в неприкосновенности. Согласно статье в интернет-издании «The Physics arXiv», опубликованный Рональдом ванн Элбергом (Ronald van Elburg), ученым - физиком из университета Гронингена в Нидерландах, ошибка в определении скорости нейтрино заключалась в использовании системы GPS для измерения в ходе эксперимента OPERA.

Ошибка определения времени, возникшая в ходе эксперимента, полностью вписывается в специальную теорию относительности. Если бы часы, с помощью которых производилось определение времени полета нейтрино от источника к детектору, были бы неподвижны и находились на земле, то ошибки бы не возникло. Но с точки зрения часов, находящихся на борту спутника GPS, который летит с большой скоростью по околоземной орбите, время, которое тратится на полет нейтрино, немного короче. Именно этот эффект и не учли ученые, работавшие над результатами эксперимента OPERA.

Вывод:

Работая над темой, я узнала много интересного об одной из физических констант - скорости света, смогла глубже понять физические законы и явления.

В процессе работы я убедилась в том, что скорость света влияет на облик окружающего нас мира. Значение скорости света вполне определенное. Вряд ли можно предположить здесь какую-то случайность. К сожалению, наука пока не может ответить на вопрос: «Что это за такая «случайность», от которой зависит сам облик мира?»


^ Список источников информации и иллюстраций:

Литература:

1. А.К. Тимирязев; О теории относительности Эйнштейна; Доклад, прочитанный на собрании Научной Ассоциации Коммунистического Университета имени Я.М.Свердлова 22 мая 1921 г.

2. К. Гильзин ; Новеллы о мире иных констант, Москва, «Детская литература»/

http://content.mail.ru/arch/17719/8074172.html

3. А.К. Тимирязев; О теории относительности Эйнштейна; Доклад, прочитанный на собрании Научной Ассоциации Коммунистического Университета имени Я.М.Свердлова 22 мая 1921 г.
^

4. Бернард ДЖЕФФ; Майкельсон и скорость света; Перевод с английского Р.С. Бобровой. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.




Список сайтов/ Иллюстрации:


1. http://www.ruslib.org/books/belyaev_aleksandr/svetoprestavlenie-read.html

2. http://ru.wikipedia.org

3. http://knigosite.ru/

4. http://fantlab.ru/

5. http://www.ruslib.org/books/belyaev_aleksandr/svetoprestavlenie-read.html




Скачать 287,2 Kb.
оставить комментарий
работы: Василенко Ирина
Дата10.03.2012
Размер287,2 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх