Краткое описание широко известных концепций и экспериментов
Эффект «замедления времени»
Стандартное геометрическое описание представлено на рисунке 13. Рассмотрим мысленный эксперимент со «световыми часами», представляющими собой источник и приемник света, удаленные друг от друга на известное фиксированное расстояние L, и отмеряющие таким образом интервал времени L/c, соответствующий времени прохождения света от источника до приемника (это можно непрерывно повторять). Все другие часы из принципа относительности должны идти точно так же. Для более прямого соответствия формы полученного результата формуле прямого преобразования Лоренца, будем считать, что наши световые часы покоятся в нештрихованной системе отсчёта K, штрихованая же система отсчёта K’ пусть движется для определенности вправо вдоль оси x со скоростью V. Источник и приемник расположим вдоль оси y при x = 0. Это частный случай, который позволит нам получить сперва отдельно частное и более простое преобразование для времени.
Поместим источник в начальный момент времени в начало координат, обозначив его A, а приемник обозначим B. В нештрихованной системе отсчёта (на рисунке 13a) импульс света летит точно по оси y (B, как и A в этой системе неподвижны). Таким образом, от излучения до поглощения света в этой системе проходит время t = L/c.
В штрихованной же системе отсчёта точки A и B движутся влево со скоростью V (рисунок 13b). Особенно нас интересует движение точки B, обозначенное на рисунке пунктиром. Из-за этого ее смещения, равного Vt′, свету в этой системе отсчёта приходится пройти не расстояние L, а большее. Это расстояние нетрудно выразить с помощью теоремы Пифагора, и оно же равно ct′, откуда: а учитывая упомянутые чуть выше L = ct и выражая t´ через t, имеем: что и является преобразованием Лоренца для времени для условия x = 0.
По сути же это есть «замедление времени» при наблюдении часов – или любого другого процесса с локальным носителем – из системы отсчёта, движущейся относительно него: мы видим, что t´ > t.
Эффект Доплера
Эффект Доплера – изменение частоты и длины волн (звуковых, световых и прочих), регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.
Эффект Доплера легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон вследствие меньшей частоты звуковых волн.
Эксперимент Хафеле-Китинга
Данный эксперимент является одним из тестов теории относительности, непосредственно продемонстрировавший реальность «замедления времени» для движущихся объектов.
В октябре 1971-го Хафеле и Китинг дважды облетели вокруг света, сначала на восток, затем на запад, с четырьмя комплектами цезиевых атомных часов, после чего сравнили «путешествовавшие» часы с часами, остававшимися в Военно-морской обсерватории США (ВМО США). Перелеты выполнялись на обычных авиалайнерах регулярными коммерческими авиарейсами.
Перелёт в восточном направлении начался в 19:30 UTC 4 октября 1971 и закончился в 12:55 UTC 7 октября 1971 (продолжительность 65,42 часа); маршрут ВМО США — Вашингтон — Лондон — Франкфурт — Стамбул — Бейрут — Тегеран — Нью-Дели — Бангкок — Гонконг — Токио — Гонолулу — Лос-Анджелес — Даллас — Вашингтон — ВМО США. Средняя скорость относительно поверхности земли составляла 243 м/с, средняя высота над уровнем моря 8,90 км, средняя широта по маршруту 34° с.ш.
В западном направлении перелет был начат в 19:40 UTC 13 октября 1971, закончился через 80,33 часа в 04:00 UTC 17 октября 1971. Маршрут: ВМО США — Вашингтон — Лос-Анджелес — Гонолулу — Гуам — Окинава — Тайбэй — Гонконг — Бангкок — Бомбей — Тель-Авив — Афины — Рим — Париж — Шаннон — Бостон — Вашингтон — ВМО США. В этом направлении средняя скорость составляла 218 м/с, средняя высота 9,36 км, средняя широта по маршруту 31° с.ш.
Во время перелётов выполнялся мониторинг условий окружающей среды (температуры, влажности и давления воздуха), а также измерялось магнитное поле. В дальнейшем было продемонстрировано, что изменение этих условий в лаборатории не влияет в пределах ошибок на ход использовавшихся в эксперименте часов. Было проверено также, не влияет ли отключение одной из 4 использовавшихся батарей на ход часов (такая потеря одной из батарей произошла во время западного перелёта). Навигационную информацию о параметрах каждого перелёта предоставляли пилоты.
Экспериментальные факты свидетельствуют о том, что если часы не покоятся, то они идут медленнее.
Кот Шредингера
Мысленный эксперимент. Кот заперт в стальной камере вместе с радиоактивным веществом, которое при распаде приводит к убийству кота специальным механизмом. Однако к моменту вскрытия камеры ядро может и не распасться. Это приведет к тому, что наблюдатель увидит, что кот жив. В результате до момента непосредственной проверки камеры наблюдатель не может сказать, жив кот или мертв, а, соответственно, кот находится одновременно в двух состояниях: жив и мертв. По сути, это приводит к неопределенности состояния кота.
Теорема о запрете клонирования
Теорема заключается в утверждении квантовой теории о невозможности создания идеальной копии произвольного неизвестного квантового состояния, что имеет математическое доказательство.
Квантовый эффект Зенона
Квантовый эффект Зенона (Квантовый парадокс Зенона) — парадокс квантовой механики, заключающийся в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы с дискретным энергетическим спектром прямо зависит от частоты событий измерения её состояния. В предельном случае нестабильная частица в условиях частого наблюдения за ней никогда не может распасться.
Эксперимент по получению колец Ньютона в зазорах малой толщины
Кольца Ньютона – интерференционные полосы равной толщины в форме колец, расположенных концентрически вокруг точки касания двух сферических поверхностей либо плоскости и сферы. Впервые описаны в 1675 году Ньютоном. Интерференция света происходит в тонком зазоре (обычно воздушном), разделяющем соприкасающиеся поверхности. Этот зазор играет роль тонкой плёнки. Кольца Ньютона наблюдаются и в проходящем, и в отражённом свете. При освещении монохроматическим светом длины волны λ кольца Ньютона представляют собой чередующиеся тёмные и светлые полосы.