Martins GARDNERS - RELATIVITĀTES TEORIJA VISIEM

Tādu signālu nav, kuri pārvietotos ar ātrumu, lie­lāku kā gaismas ātrums, taču var apskatīt noteikta veida kustības, kur ātrumi attiecībā pret novērotāju ir lielāki par gaismas ātrumu. Tā, piemēram, iedomāsi­mies milzīgas atvāztas šķēres, kuru asmeņi būtu tik gari, ka sasniegtu planētu Neptūnu. Sāksim vienmērīgi aizvērt šķēres un novietosim novērotāju uz šķēru ne­kustīgās ass. Punkts, kurā krustojas abi asmeņi, šķē­rēm aizveroties, kustas šķēru asmens galu virzienā, pie kam tā ātrums nepārtraukti pieaug. Attiecībā pret no­vērotāja inerciālo atskaites sistēmu pienāks moments, ka šī punkta kustības ātrums pārsniegs gaismas āt­rumu. Ievērojiet — tā nav materiāla ķermeņa, bet gan ģeometriska punkta kustība.

No šī piemēra jums var rasties šāda doma: pieņem­sim, ka mēs atrodamies uz Zemes un mums rokās ir šo milzīgo šķēru rokturi, bet uz Neptūna ir asmeņu krus­tošanās punkts. Ja nu mēs atkārtoti tikai mazliet atve­ram un pēc tam aizveram šķēres, tad ģeometriskais krustošanās punkts kustēsies uz priekšu un atpakaļ. Vai tā nerodas iespēja gandrīz momentāni nosūtīt sig­nālu uz Neptūnu? Tomēr nevar, jo impulsam, kam jā­iekustina šķēres, vielā ir jāpāriet no molekulas uz mo­lekulu un šim ātrumam jābūt mazākam par gaismas āt­rumu. Vispārīgā relativitātes teorijā nav absolūti cieta ķermeņa jēdziena. Ja tāds eksistētu, varētu ņemt šādu absolūti cieta ķermeņa stieni, kurš būtu tik garš, ka savienotu Zemi ar Neptūnu, un, iekustinot tā vienu galu, momentāni pārnest šo signālu uz tā otru galu. Tātad nekādā veidā nevar izmantot arī gigantiskās šķē­res vai kādu citu absolūti cietu ķermeni, lai pārnestu signālu ar ātrumu, kas lielāks par gaismas ātrumu.

Ja uz ļoti lielu un ļoti tālu novietotu ekrānu laidīsim prožektora staru kūli, uz ekrāna iegūsim tā saucamo gaismas zaķīti. Prožektoru pagriežot, gaismas zaķītis uz ekrāna kustēsies. Protams, ka šī gaismas zaķīša kustī­bas ātrums var pārsniegt gaismas ātrumu. Taču arī šeit nekustas nekāds materiālais ķermenis, jo gaismas za­ķīša kustība ir tikai ilūzija.

Tas pats notiks, ja šādu prožektoru pavērstu pret Visumu un grieztu. 5. nodaļā apskatīsim, ka Zemi var

uzskatīt arī par nerotājošu atskaites sistēmu. Tādā ga­dījumā Visuma zvaigžņu kustības ātrums ap Zemi ir daudz lielāks par gaismas ātrumu. Kā aprēķinājis kāds astronoms, tad tādā gadījumā zvaigzne, kura no mums atrodas tikai 10 gaismas gadu attālumā, griežas ap Zemi ar ātrumu, divdesmit reižu lielāku par gaismas ātrumu. Lai redzētu, kā tiek pārvarēta šāda ģeomet­riska gaismas barjera, nemaz nav jānovēro zvaigznes. Pat bērns, griežot vilciņu, var piedot Mēness rotācijai tādu ātrumu (attiecībā pret koordinātu sistēmu, kas sais­tīta ar vilciņu), kas būs daudz lielāka par 300 000 km/s.

10. nodaļā apskatīsim kādu populāru teoriju par Vi­sumu, pēc kuras Visuma tālās galaktikas var attālinā­ties no Zemes ar ātrumu, kas lielāks par gaismas āt­rumu. Un tomēr visi šie piemēri nav pretrunā ar rela­tivitātes teorijas apgalvojumu, ka, pārraidot signālus no viena materiāla ķermeņa uz otru, gaismas ātrums ir galējā barjera.

īsi aplūkosim vēl vienu speciālās relativitātes teo­rijas secinājumu — noteiktos apstākļos enerģija var pārveidoties par masu, bet dažos citos apstākļos — masa par enerģiju. Agrāk fiziķi uzskatīja, ka Visumā

nekad nemainās pilnās masas un pilnās enerģijas dau­dzums. To izteica gan masas, gan enerģijas saglabāša­nās likumi. Tagad šos abus likumus sauc vienkārši par masas-enerģijas saglabāšanās likumu.

Kad raķetes dzinēji dzen kosmisko kuģi, daļa ener­ģijas tiek izmantota, palielinot kuģa relatīvistisko masu. Ja kafijas kannai pievada siltumu (paātrina tās moleku­las), tās saturs tiešām svērs nedaudz vairāk nekā pirms sildīšanas. Kad kafijas kanna atdzisīs, tās masa samazi­nāsies. Uzvelkot pulksteni, mēs pievadām tam ener­ģiju, un tāpēc tā masa nedaudz palielināsies. Kad pulk­stenis būs izlietojis pievadīto enerģiju, tas apstāsies, un arī šī papildmasa pazudīs. Visos šajos piemēros ma­sas samazināšanās un palielināšanās ir tik bezgalīgi maza, ka parastos fizikālos aprēķinos to neņem vērā. Bet, ja tiek uzspridzināta ūdeņraža bumba, tad šī ma­sas pārvēršanās enerģijā nav nemaz tik maza!

Bumbas sprādzienā daļa masas momentāni pārvēršas enerģijā. Tas pats notiek arī ar Saules enerģiju. Patei­coties milzīgam smaguma spēkam uz Saules, gāzveida ūdeņradis Saules iekšpusē ir tik ļoti saspiests un sa­karsēts līdz tik augstai temperatūrai, ka no ūdeņraža atomiem rodas hēlijs. Šādā procesā neliels masas dau­dzums pārvēršas enerģijā pēc šādas pazīstamas for­mulas:

kur e — enerģija, m ■— masa, c — gaismas ātrums.

Šādu izteiksmi deva Einšteins speciālajā relativitātes teorijā. Veicot aprēķinus pēc šīs formulas, var pārlieci­nāties, ka ļoti mazi masas daudzumi var atbrīvot milzī­gus enerģijas daudzumus. Bez Saules enerģijas nebūtu dzīvības uz Zemes, tātad šī formula zināmā mērā ietekmē arī dzīvību. Var jau būt, ka arī dzīvības izbeig­šanos uz Zemes varēs raksturot ar šo formulu. Bez pār­spīlējuma var teikt, ka problēma — tikt galā ar šo baismīgo faktu (kurš izriet no šīs formulas) — ir pati svarīgākā no visām tām, kuras ir jebkad bijušas cilvē­cei.

Taču ūdeņraža bumba ir tikai viens no daudzajiem piemēriem, kuri pierāda speciālo relativitātes teoriju.

Eksperimentāli to sāka pierādīt jau tūlīt pēc tam, tikko paspēja nožūt tinte uz Einšteina 1905. gadā uzrakstītās publikācijas. Taču tagad Einšteina relativitātes teorija ir viena no mūsdienu eksperimentāli vislabāk pamato­tajām teorijām. To katru dienu turpina apstiprināt atomu pētnieki, kuri strādā laboratorijās ar daļiņām, kas kustas ar ātrumiem, tuvu gaismas ātrumam. Jo lie­lāks ir šo daļiņu kustības ātrums, jo lielāks spēks ne­pieciešams to paātrināšanai, lai gan ātrums izmainās

kosmiskā kuģī antivielu un ar magnētisko lauku loka­lizējot to telpā, varētu mazos daudzumos to savienot ar vielu un iegūt nepieciešamo enerģiju, lai kuģis va­rētu ceļot uz zvaigznēm.

Eksperimenti tik pilnīgi pierāda speciālo relativitātes teoriju, ka tagad būtu grūti atrast tādu fiziķi, kas šau­bītos par šīs teorijas pareizību.

Vienmērīga kustība ir relatīva. Bet, lai varētu teikt, ka tāda ir jebkura kustība, ir jāpārvar pēdējais šķēr­slis — inerce. Kāds ir šis šķērslis un kā to pārvarēja Einšteins, redzēsim 5. nodaļā.

tikai par vienu un to pašu lielumu, tātad jo lielāka šo daļiņu relativistiskā masa. Tikai ievērojot to, fiziķi var konstruēt arvien lielākas iekārtas daļiņu paātrināšanai. Daļiņas masa palielinās it sevišķi tad, ja tās ātrums tuvojas gaismas ātrumam, tāpēc tās paātrināšanai ne­pieciešami arvien spēcīgāki lauki. Tā, piemēram, elek­tronus jau var paātrināt līdz ātrumam, kas ir 0,999 999 999 no gaismas ātruma. Pie tāda ātruma elektrona masa ir apmēram tūkstoš reižu lielāka (attiecībā pret Zemes inerciālo atskaites sistēmu) par tā miera masu.

Ja kāda no daļiņām satiekas ar savu antidaļiņu (da­ļiņa ar tieši tādu pašu strukt€iru, tikai ar pretēju lā­diņu), tad notiek pilnīga to anihilācija. Abu daļiņu ko­pējā masa pilnīgi pārvēršas izstarojuma enerģijā. Šādu procesu laboratorija pagaidām var redzēt tikai ar da­žām daļiņām. Ja kādreiz fiziķiem izdosies radīt anti­vielu (viela, kas sastāv no antidaļiņām), tad varēs sa­sniegt pilnību atomenerģijas izmantošanā. Paņemot līdzi