Теория относительности

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в  теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

 

2. Теория относительности

 

Теория относительности  стала результатом обобщения  и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины XIX в. возникли серьезные противоречия. В то время  в механике господствовал классический принцип относительности. Концепция эфира – ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство, являющейся абсолютной системой координат. Иными словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими. Галилея, утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета, а в электродинамике – концепция эфира, или ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство и являющейся абсолютной системой координат. Иными словами в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед другими системами.

Ряд ученых попытались решить данное противоречие. Среди них был  нидерландский физик X. Лоренц, предложивший гипотезу о сокращении всех тел в  направлении движения. Он вывел математические уравнения, называемые сегодня преобразованиями Лоренца. А в 1905 г. в журнале «Анналы  физики» появилась статья неизвестного тогда еще А. Эйнштейна «К электродинамике  движущихся тел». В ней и были сформулированы основы специальной  теории относительности, в которой  он сумел по-новому интерпретировать преобразования Лоренца, придать им иной физический смысл. В частности, Эйнштейн смог показать, что преобразования Лоренца описывают не реальные изменения  размеров тел, а изменения результатов  измерения в зависимости от движения системы отсчета.

 

1. Специальная теория относительности

Она базируется на двух постулатах. Первый постулат специальной теории относительности – расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

Классический принцип  относительности Галилея очень  прост. Он всего лишь заявляет, что  между покоем и движением, если оно  прямолинейно и равномерно, нет никакой  принципиальной разницы.

Слово «относительность»  в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме  того, который мы вкладываем в утверждение, что движение или покой – всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что  между покоем и равномерным движением  нет никакой разницы. Но понятия  покоя и движения приобретают  смысл лишь тогда, когда указана  точка отсчета.

Второй постулат специальной  теории относительности Эйнштейн позаимствовал  из электродинамики – это принцип  постоянства скорости света в  вакууме, примерно равной 300000 км/с. Второй постулат специальной теории относительности говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Дело в том, что скорость света – самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира.

Важнейшие выводы специальной  теории относительности, которые известны под названием релятивистских эффектов.

Релятивистские эффекты  – это изменения пространственно-временных  характеристик тел, заметные на больших  скоростях, сравнимых со скоростью  света.

Три релятивистских эффекта:

1. Сокращение линейных  размеров тела в направлении  его движения. Чем ближе скорость  космического корабля, пролетающего  мимо неподвижного наблюдателя,  к скорости света, тем меньше  будут размеры этого корабля  для наблюдателя. Если бы корабль  смог двигаться со скоростью  света, его наблюдаемая длина  оказалась бы равной нулю, чего  не может быть. 

2. Увеличение массы быстродвижущихся  тел. Масса движущегося тела, с  точки зрения неподвижного наблюдателя,  оказывается больше массы покоя  того же тела. Чем ближе скорость  тела к скорости света, тем  больше возрастает его масса.  Если бы тело смогло двигаться  со скоростью света, его масса  возросла бы до бесконечности,  что невозможно. Поэтому никакое  тело с массой, отличной от  нуля, нельзя разогнать до скорости  света, так как это потребовало  бы бесконечной энергии. В связи  с этим появилась самая известная  формула теории относительности,  связывающая массу и энергию.  Эйнштейну удалось доказать, что  масса тела есть мера содержащейся  в нем энергии: Е = mс².

3. Замедление времени  в быстродвижущихся телах. Так,  в быстро летящем космическом  корабле время течет медленнее,  чем для неподвижного наблюдателя.  Эффект замедления времени на  космическом корабле сказался  бы не только на часах, но  на всех процессах, протекающих  в этом корабле, в том числе  и на биологических ритмах  его экипажа. Чтобы проиллюстрировать  эту ситуацию был предложен  так называемый парадокс близнецов.  Если бы из двух близнецов  один остался на Земле, а  другой улетел к звездам, то  космонавт с точки зрения земного  наблюдателя старился бы медленнее,  чем его брат-близнец. Поэтому  после возвращения домой космонавт  обнаружил бы, что его брат  значительно старше его самого. Интересно, что чем дальше совершается полет и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем больше будет разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из процесса развития на Земле.

Таким образом, специальная  теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов  в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

 

2. Общая теория относительности

 

В рамках этой теории, которая  создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 гг., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения, давно привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую теорию относительности часто еще называют теорией тяготения. В ней были описаны новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

Первый постулат общей  теории относительности – расширенный  принцип относительности, который  утверждает инвариантность(неизменность) законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл по отношению к фактору, его определяющему.

Второй постулат – принцип  постоянства скорости света –  остается неизменным.

Третий постулат – принцип  эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще  в классической механике. Теоретический анализ, проведенный ученым, позволил сделать вывод, что физика не знает способа отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Иначе говоря, кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения.

 

3. Свойства пространства-времени.
1. Всеобщие свойства пространства и времени

 

Всеобщими свойствами пространства и времени являются:

1. Их объективность и  независимость от человеческого  сознания и сознания всех других  разумных существ в мире, если  такие есть.

2. Абсолютность – пространство  и время являются универсальными  формами бытия материи, проявляющимися  на всех ее структурных уровнях.

3. Неразрывная связь друг  с другом и движущейся материей. Это делает пространство и  время относительными.

4. Единство прерывности  и непрерывности в их структуре  – наличие отдельных тел, фиксированных  в пространстве и времени при  отсутствии каких-либо «разрывов»  в самом пространстве-времени.  Таким образом, это свойство  проявляется в характере перемещений  тел от точки к точке, в  распространении воздействий через  различные материальные поля, которые  происходят по принципу близкодействия.

5. Количественная и качественная  бесконечность, связанная со структурной  бесконечностью самой материи.  Во Вселенной невозможно найти  такое место, где бы отсутствовали  пространство и время. Всюду,  где есть взаимодействие и  движение материи, сосуществование  и связь ее элементов, обязательно есть пространство и время. Всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет время, включающее в свое содержание все эти процессы, и пространство, в котором эти процессы происходят.

В литературе не раз высказывалась  точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать  как разные атрибуты материи, что  их нужно объединить в понятии  четырехмерного континуума и рассматривать  как одну форму бытия материи  – пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и  реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. Но все же пространство и время, наряду с всеобщими характеристиками, имеют такие общие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени. Это и дает возможность рассматривать их как разные существенные свойства материи.

 

2. Общие свойства пространства

 

1. Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям, из них не могли бы образовываться никакие системы.

Протяженность пространства проявляется как единство прерывности  и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и  нарушений в распространении  взаимодействий в природе. Но для  отдельных материальных тел свойственна  относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы.

2. Трехмерность – все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях материи, оно органически связано со структурностью систем и их движением.

В одномерном (линия) или  двумерном (плоскость) пространстве не смогли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения  являются тем необходимым и достаточным  минимумом, в рамках которого могут  осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

 

3. Общие свойства времени

 

1. Длительность – выступает  как последовательность сменяющих  друг друга моментов или состояний;  возникновение за каждым данным  интервалом времени последующего. (Интервалы – это промежутки  между какими-либо учитываемыми  событиями.) Вне таких событий  само понятие времени теряет  для нас смысл. Иными словами,  средствами измерения времени  являются сами события. Уже  в древности для измерения  времени придумали часы – прибор, который в усовершенствованном  виде дошел до наших дней. Длительность  предполагает возможность прибавления  к каждому данному моменту  времени другого, а также возможность  деления любого отрезка времени  на меньшие интервалы.

2. Необратимость времени  – общее свойство времени,  означающее однонаправленное изменение  от прошлого к будущему. Прошлое  порождает настоящее и будущее,  переходит в них. К прошлому  относятся все те события, которые  уже осуществились и превратились  в последующие. Будущие события – это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют в данный момент и способны к взаимодействию между собой.

Понятие настоящего, как  и понятие современности, многозначно, так как охватывает различные  временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее –  это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть и расширено в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события до часа, дня, года и большего отрезка времени.

3. Одномерность времени  – проявляется в линейной последовательности  событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачиваются в одинаковой последовательности.