Файл: Учебник КСЕ.doc

Пространство и время в специальной теории относительности (СТО)

В специальной теории относительности А. Эйнштейна выявилась взаимозависимость пространственных и временных характеристик объектов, а также их зависимость от скорости движения относительно определенной системы отсчета.

Коренным отличием СТО от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов шмжения материи, структура которых зависит от природы самого движения и является его функцией.

Рассматривая относительность длин и промежутков времени, А. Эйнштейн приходит 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».

В связи с этим возникла необходимость преобразований координат (положения тел) и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяженности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчета.

Выяснились относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени, инвариантность пространственно-временного интервала.

Важный вклад в понятие «равноправности» пространства и времени внес Г. Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырехмерного континуума (три пространственных координаты и одна временная). С этой точки зрения разделение пространства и времени не имеет смысла. В соответствии с СТО статусом самостоятельной субстанции природы является единое четырехмерное пространство-время.

Пространство и время в общей теории относительности (ОТО)

Еще более сложную связь, по сравнению с СТО, между пространством и временем, с одной стороны, и движением и материей (массой вещества) – с другой, была установлена А. Эйнштейном в рамках созданной им общей теории относительности (ОТО).

Оказалось, что наличие в пространстве материальных тел (масс тел) приводит к изменению структуры пространства и оно искривляется. Поэтому для пространственно-временного описания событий в ОТО необходима другая геометрия пространства – неевклидова геометрия. При разработке ОТО А. Эйнштейн положил основу геометрию искривленного пространства, разработанную ранее немецким математиком Б. Риманом .

Таким образом, в ОТО А. Эйнштейн доказал, что структура четырехмерного пространства-времени определяется распределением масс материи. Сам А. Эйнштейн так определил суть ОТО: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе в вещами исчезли бы пространство и время.

---

Следует подчеркнуть, что в ОТО находит наиболее полное воплощение современное представление о пространстве и времени как формах существования материи.

Общая теория относительности – это теория тяготения, теория гравитационного поля. Ее законы проявляются в основном в космических масштабах. Новые свойства искривленного пространства-; времени поставили целый ряд новых вопросов и проблем в космологии и космогонии. Это, например, вопросы однородности и изотропности в искривленном пространстве, вопросы конечности бесконечности Вселенной и ряд других.

Пространство и время в физике микромира

Еще более углубились представления о пространстве и времени в связи с изучением микромира квантовой механикой и квантовой теорией поля, выявившими тесную связь структуры пространства-времени с материей.

Например, по-иному следует понимать пустоту — вакуум. В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглощающихся фотонов, электронно-позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривается как особый вид материи — как поле в состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что так называемая пустота (вакуум) — это одно из состояний материи.

Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется ее нулевой плотностью. Минимум ее оказался равным уровню осциллятора 0,5 hν.

Допустив скромные 0,5 hν для каждой отдельной волны, — пишет известный академик физик-ядерщик Я. Зельдович, — мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии.

Эта бесконечная плотность энергии пустого пространства таит в ебе огромные возможности, которые еще предстоит освоить физике.

Продвигаясь вглубь материи, там, где определяющую роль играют глюоон-кварковые взаимодействия, становятся совершенно иными пространственно-временные понятия. Специфике микромира не соответетствуют обыденные представления о соотношении части и целого, нарушается пространственная и временная четность, т.е. правое и иное пространственные направления оказываются неэквивалентными. Все эти и многие другие особенности пространства и времени в микромире являются фундаментальными проблемами современной теоретической физики.

2.4.4. Современные взгляды на пространство и время

Ранее мы выяснили, какие из свойств пространства и времени являются универсальными (всеобщими), а какие – специфическими (их всеобщность не доказана). Отнесение к специфическим характеристикам некоторых свойств пространства и времени еще не означает, что где-то опытным путем найдены исключения. Однако логика стремительного развития естествознания последнего столетия свидетельствует о том, что подобные открытия возможны.

---

Существуют веские основания считать, что на глубинных уровнях микромира пространство и время прерывны и подобно материи квантованы», т.е. складываются из неделимых «порций». Прогнозируемый квант пространства может иметь размер порядка 10^–33 см (порядка планковской длины, характеризующей масштаб проявления квантовых свойств), но до реального проникновения в мир таких масштабов современной науке еще далеко.

Немало сомнений возникает и по поводу универсальности пространства, насчитывающего только три измерения, поскольку построены теоретические модели многомерных пространств (в теории супергравитации, например, использовано одиннадцать измерений; пространства-времени).

То же самое можно сказать и о времени. Сейчас уже не считается универсальной характеристикой однонаправленность времени от прошлого к будущему. Так, в модели «пульсирующей Вселенной» предполагается, что ныне наблюдаемое расширение Вселенной может при определенных условиях смениться сжатием. А в описывающих эту фазу ее эволюции математических уравнениях время сменит свой знак с положительного на отрицательный, т.е. как бы «потечет вспять». Имеется и целый ряд других парадоксальных, с нашей точки зрения, явлений.

Универсальные же свойства пространства и времени экспериментально подтверждены более надежно. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единое четырехмерное пространственно-временное многообразие (пространство-время). Кроме того, СТО установила зависимость свойств пространства-времени от скорости движения тел.

Общая теория относительности (ОТО) привела к не менее фундаментальному выводу относительно пространства-времени. Его общий смысл таков: метрические свойства пространства-времени определяются распределением и движением тяготеющих масс материи, и наоборот, силы тяготения в каждой точке пространства зависят от: его метрики. Таким образом, пространство и время существуют «сами по себе», а в тесной зависимости от свойств материи.

2.5. Принципы относительности

2.5.1. Принцип относительности в классической механике

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г. Галилеем и окончательно сформулированный в механике И. Ньютоном. Для его понимания потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат.

Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета и с которым может быть жестко связана система координат. Таким образом, механическое движение тогда относительно, и его описание зависит от того, по отношения к какой системе координат оно рассматривается.

Среди систем отсчета особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо равномерном и прямолинейном движении.

---

Смысл принципа относительности Галилея заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.

По существу, это означает, что из совокупности инерциальных систем невозможно выделить какую-либо одну преимущественную систему. Например, на судне, движущемся равномерно, тело, выпущенное из рук, падает вертикально вниз независимо от того, стоит судно или движется; вода, налитая в сосуд, на движущемся судне, как и в покое, имеет горизонтальную поверхность; на движущемся корабле при выстреле пуля летит столько же времени от носа к корме, сколько от корме к носу, и т.д.

Для описания механических движений в разных инерциальных системах координат обычно пользуются так называемыми преобразованиями Галилея, которые выражают связь координат материальной точки в условно движущейся (х', у', z') со скоростью V в момент времени t и условно неподвижной (x,y,z) системах координат

Очевидно, что координаты точки А в движущейся системе (х', у', z') связаны с координатами этой же точки в неподвижной системе (х,y,z) следующими соотношениями х' = x-Vt; у' = у, z' = z.

В классической механике, например, закон сложения скоростей выглядит следующим образом. Пусть материальная точка А движется в системе координат х', у', z' со скоростью U, а сама система координат (х', у', z') движется со скоростью V относительно системы координат (х, у, z). Тогда в системе координат (x,y,z) точка А будет двигаться со скорость W = U + V . Действительно, по определению скорость U =

х = х ±Vt (преобразование Галилея).

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как координаты тела, скорость, импульс, кинетическая энергия, изменяются. А такие величины, как время, масса, ускорение, сила, и, следовательно, все законы Ньютона, при подобных преобразованиях остаются неизменными, т.е. инвариантными. Это и отражено в механическом: принципе относительности Галилея.

2.5.2. 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.

Затем анализ принципа относительности Галилея привел А. Эйнштейна к выводу, что этот принцип является одним из фундаментальных законов, который применим не только к механическим, но и к любым другим явлениям природы – тепловым, электромагнитным, оптическим и т.д. В результате Эйнштейн сформулировал два постулата, легшие в основу специальной теории относительности:

1. Принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом.

2. Принцип постоянства скорости света, утверждающего, что во всех инерциальных системах скорость света с одинакова и равна с= 10⁸ м/с.

Первый принцип, по сути, распространяет принцип относительности Галилея для законов механики на законы электродинамики.

Второй принцип основан на уже достаточно хорошо установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света.

Специальная теория относительности Эйнштейна привела к необходимости пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства и времени, материи и движения. Оказалось, что: с увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается масса по законам:

---