Теория относительности

Введение.

Одна  из важнейших задач естествознания - создание естественно - научной картины  мира в виде целостной упорядоченной  системы. Для её решения используются общие и абстрактные понятия: материя, движение, время и пространство.

Материя- это всё то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Окружающий нас мир, всё существующее вокруг нас представляет собой материю, которая тождественна реальности. Неотъемлемое свойство материи - движение. Без движения материи, и наоборот. Движение материи- любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует в бесформенном состоянии - из неё образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных масштабов и сложности.

Всеобщими универсальными формами существования  и движения материи принято считать  время и пространство. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в пространстве и во времени. Особенность естественно - научного представления об этих понятиях заключается в том, что время и пространство можно охарактеризовать количественно с помощью приборов.

Упорядоченная последовательность состояний  объекта  составляет процесс его развития (жизни, существования) во времени. Философия  определяет пространство и время  как всеобщие формы существования  материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее.  Для их описания в естествознании исторически формировались различные  представления о пространстве и  времени. Современное понимание  свойств пространства и времени  исходит из знаменитых открытий величайших физиков Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879) и Альберта Эйнштейна (1879-1955). Пространство и время относятся  к фундаментальным понятиям, которыми философы занимались с древних времен. В двадцатом веке представление  об этих понятиях были основательно уточнены. В понимании пространства и времени  существовало первоначальное представление  об абсолютном пустом пространстве, заполненном  неким мировым и неподвижным  эфиром. Эти представления древних философов по мере накопления научных знаний о природе вещества, характера взаимодействия тел, строения и структуры материального мира постепенно преобразовывались. Открытие электромагнитных явлений, микрочастиц и переход к пониманию двойной природы материи – корпускулярной и волновой, а в затем создание специальной и общей теории относительности позволяет сейчас говорить о том, что пространство и время связаны между собой, свойства пространства определяются распределением и движением в нем материи. В начале 20 века стало ясно, что время не едино для всей Вселенной.  Прошло более 2500 лет с той поры, как было положено начало осмыслению времени и пространства, тем не менее, и интерес к проблеме и споры философов, физиков и представителей других наук вокруг определения природы пространства и времени нисколько не снижаются. Значительный интерес к проблеме пространства и времени естественен и закономерен, влияния данных факторов на все аспекты деятельности человека нельзя переоценить. Понятие пространства - времени является важнейшим и самым загадочным свойством природы или, по крайней мере, человеческой природы. Представление о пространстве времени подавляет наше воображение. Недаром попытки философов античности, схоластов средневековья и современных ученых, владеющих знанием наук и опытом их истории, понять сущность времени – пространства не дали однозначных ответов на поставленные вопросы. Диалектический материализм исходит из того, что "в мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени". Пространство и время, здесь выступают в качестве фундаментальных форм существования материи. Классическая физика рассматривала пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических объектов. В прошлом веке представители неклассической физики (физики элементарных частиц, квантовой физики и др.) выдвинули новые представления о пространстве и времени, неразрывно связав эти категории между собой. Возникли самые разные концепции: согласно одним, в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного пространства, а физические объекты являются только проявлениями этого пространства. Другие концепции утверждают, что пространство и время присущи лишь макроскопическим объектам. Наряду с интерпретацией времени – пространства философией физики существуют многочисленные теории философов, придерживающихся идеалистических взглядов, так Анри Бергсон утверждал, что время может быть познано только нерациональной интуицией, а научные концепции, представляющие время, как имеющее какое-либо направление, неверно интерпретируют реальность. Начинать исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных представлений вплоть до наших дней.

1.Специальная теория относительности

    После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи – электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея на электромагнитные явления, т.е. сохраняется ли вид уравнений Максвелла при рассмотрении их в различных инерциальных системах координат. Оказалось, что если воспользоваться преобразованиями координат Галилея, то вид уравнений Максвелла не сохраняется. Это приводило к далеко идущим выводам, в частности, к фундаментальному выводу о том, что законы; движения двух материальных субстанций – вещества и поля – существенно различны. В виду важности этого обстоятельства начался период длительного и всестороннего рассмотрения данного вопроса, как в части экспериментального подтверждения такого заключения, так и в части анализа уравнений Максвелла.

    Одно  из направлений исследований уравнений  Максвелла, проведенных Лоренцем, показало, что можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (х,у,z, t) к другой (х', y',z',t') инерциальной системе координат, если преобразование координат и времени произвести в соответствии со следующей схемой, которую сейчас называют преобразованиями Лоренца:

    В дальнейшем оказалось, что соотношения  Лоренца на самом деле имеют очень глубокое физическое содержание, а вначале преобразования Лоренца только вызвали целый ряд недоуменных вопросов. Например, из формул Лоренца следовало, что:

1. пространственные и временные преобразования не являются независимыми: в преобразование координат входит время, а в преобразование времени – координаты, что было совершенно непонятно;
2. время в разных системах координат течет по-разному.

    Все возникшие противоречия разрешил А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Он выдвинул новую радикальную идею о связи пространства и времени. Найденное Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – совершенно различные и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, реальный мир представляет собой не трехмерное, а четырехмерное пространство, поскольку оно также должно включать время, так как пространственные и временные координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство-время.

    В 1905 году Альберт Эйнштейн, исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, сделал вывод о равноправии  всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших  постулата, которые составили основу новой теории пространства и времени, получившей название Специальной Теории Относительности (СТО):

     1. Принцип относительности Эйнштейна  - этот принцип явился обобщением  принципа относительности Галилея  на любые физические явления.  Он гласит: все физические процессы при одних и тех же условиях в инерциальных систем отсчета (ИСО) протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).

     2. Принцип постоянства скорости  света - скорость света в вакууме  постоянна и не зависит от  движения источника и приемника  света. Она одинакова во всех  направлениях и во всех инерциальных  системах отсчета. Скорость света  в вакууме - предельная скорость  в природе - это одна из важнейших  физических постоянных, так называемых  мировых констант.

     Глубокий  анализ этих постулатов показывает, что  они противоречат представлениям о  пространстве и времени, принятым в  механике Ньютона и отраженным в  преобразованиях Галилея. Действительно, согласно принципу 1 все законы природы, в том числе законы механики и  электродинамики, должны быть инвариантны  по отношению к одним и тем  же преобразованиям координат и  времени, осуществляемым при переходе от одной системы отсчета к  другой. Уравнения Ньютона этому  требованию удовлетворяют, а вот  уравнения электродинамики Максвелла  – нет, т.е. оказываются не инвариантными. Это обстоятельство привело Эйнштейна  к выводу о том, что уравнения  Ньютона нуждаются в уточнении, в результате которого как уравнения  механики, так и уравнения электродинамики  оказались бы инвариантными по отношению  к одним и тем же преобразованиям. Необходимое видоизменение законов  механики и было осуществлено Эйнштейном. В результате возникла механика, согласующаяся  с принципом относительности  Эйнштейна – релятивистская механика.

     Создатель теории относительности сформулировал  обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и  на электромагнитные явления, в том  числе и на движение света. Этот принцип  гласит, что никакими физическими  опытами (механическими, электромагнитными  и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя  и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо  для распространения электромагнитных волн, света. Для всех физических процессов  скорость света обладает свойством  бесконечной скорости. Для того чтобы  сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически  невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света.

     Скорость  света является предельной скоростью  распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с  какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют  скорость, равную нулю. И в самом  деле, скорость звука всего лишь 340 м/с. Это неподвижность по сравнению  со скоростью света.

     Из  этих двух принципов — постоянства  скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математически  следуют все положения специальной  теории относительности. Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе  будет наименьшей по отношению к  покоящейся. По формуле: 

     где /' — длина тела в движущейся системе  со скоростью V по отношению к неподвижной системе; / — длина тела в покоящейся системе.

     Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса — наоборот. Время будет  как бы растягиваться, течь медленнее  в движущейся системе по отношению  к неподвижной, в которой этот процесс будет более быстрым. По формуле: 

Следует отметить, что эффекты специальной теории относительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.

       В  соответствии  со  специальной   теорией  относительности,   которая

объединяет  пространство и  время  в  единый  четырехмерный  пространственно-временной  континуум, пространственно - временные  свойства  тел  зависят  от скорости их движения. Пространственные  размеры  сокращаются  в  направлении движения при приближении скорости тел  к скорости света в  вакууме  (300  000 км/с), временные процессы замедляются  в  быстродвижущихся  системах,  масса тела увеличивается.

      Скорость света - это верхний  предел  для  скорости  перемещения   любых

тел в  природы, для скорости распространения  любых волн, любых сигналов.  Она  максимальна  -  это  абсолютный  рекорд  скорости.  “Для   всех   физических процессов скорость света  обладает свойством бесконечной  скорости.  Для  того чтобы сообщит  телу скорость, равную скорости  света,  требуется  бесконечное количество энергии, и именно  поэтому  физически  невозможно,  чтобы  какое-нибудь  тело  достигло  этой  скорости.  Этот  результат   был   подтвержден  измерениями,  которые  проводились  над электронами.  Кинетическая  энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат  ее  скорости,  и  становится бесконечной для  скорости, равной скорости света”. Поэтому  часто  говорят, что скорость света  – предельная скорость передачи информации.  И  предельная скорость  любых  физических взаимодействий,  да  и  вообще  всех   мыслимых взаимодействий в мире.

      Со скоростью света  тесно   связано  решение  проблемы  одновременности,

которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от  точки  зрения.

В  классической  механике,  которая  считала  время  абсолютным,  абсолютной

является  и одновременность. В  теории  относительности Эйнштейна   вопрос  о

свойствах и структуре  эфира трансформируется в вопрос о реальности   самого                 эфира.    Отрицательные     результаты     многих     экспериментов    по обнаружению    эфира    нашли    естественное     объяснение    в     теории

относительности - эфир  не  существует.   Отрицание  существования  эфира  и

принятие  постулата о постоянстве и  предельности  скорости  света  легли  в

основу  теории относительности, которая   выступает  как  синтез  механики  и

электродинамики.

       Принцип  относительности   и  принцип   постоянства   скорости   света

позволили  Эйнштейну перейти  от  теории  Максвелла  для  покоящихся  тел  к

непротиворечивой   электродинамике   движущихся    тел.    Далее    Эйнштейн

рассматривает относительность  длин и промежутков  времени, что приводит его к выводу о том, что понятие   одновременности  лишено смысла:  "Два  события,

одновременные  при  наблюдении  из  одной  координатной  системы,   уже   не воспринимаются как одновременные  при  рассмотрении  из  системы, движущейся относительно данной".

      Если бы существовала мгновенная  передача импульсов и  вообще  сигналов,

то  мы  могли бы говорить о двух событиях,  происшедших  одновременно,  т.е.

отличающихся  только пространственными координатами.  Связь  между  событиями была   бы   физическим   прообразом   чисто   пространственных    трехмерных геометрических соотношений.  Но Эйнштейн в  1905  г.  отказался  от  понятий абсолютной одновременности  и абсолютного, независимого от  течения  времени.

      Однородность  пространства   выражается  в  сохранении   импульса,   а

однородность  времени  -  в  сохранении  энергии.  Можно  ожидать,   что   в

четырехмерной  формулировке  закон  сохранении импульса и  закон сохранения энергии  сливаются  в  один  закон    сохранения    энергии    и   импульса. Действительно,   в  теории  относительности  фигурирует  такой  объединенный закон импульса.