Пространство и время в теории относительности

Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 году Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она основывается на двух принципах: постоянства скорости света в пустоте и относительности. Согласно первому принципу или постулату, скорость света в пустоте является предельной скоростью физических взаимодействий, она постоянна и составляет 300000 км/с. Постулат относительности утверждает, что законы электромагнитных явлений инвариантны, независимы от равномерного и прямолинейного движения систем. На основе этих принципов Эйнштейн разработал теорию физического пространства и времени, в которой последние оказываются зависимыми от движения физических тел: по мере приближения скорости движения тел к скорости света протяженность тел сокращается, а время течет медленнее. Используя формулы Лоренца, эту зависимость можно представить следующим образом:

,

где l – длина тела в движущейся системе со скоростью ; l₀ – длина тела в покоящейся системе.

,

где t – время движущегося тела; t₀ – время покоящегося тела; с – скорость света.

Эффекты специальной теории относительности обнаруживаются при скоростях, близких к световым. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в два раза с точки зрения наблюдения на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как была при отлете. Время же - необратимо. Отсюда известный парадокс близнецов. После путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей близко к скорости света, он с удивлением увидит, что его брат стал старше его. Можно даже рассчитать такой полет. Представим себе, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет. Но согласно формулам СТО по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50 – летний сын будет приветствовать 26 – летнего отца.

Релятивистское замедление является экспериментальным фактом. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые p–мезонами или пионами. Собственное время жизни пионов – 10^-8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью почти равной скорости света, они могут пройти не больше, чем 300 см. Но приборы их регистрируют на поверхности Земли, то есть они проходят путь, равный 30 км или в 10000 раз больше, чем это возможно. Теория относительности так объясняет этот факт: 10^-8 сек. является естественным временем жизни мезона, измеренным по часам, движущимся вместе с мезоном, то есть покоящемся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше и за это время частицы в состоянии пройти земную атмосферу.

Представления СТО оказались в противоречии с представлениями классической механики. Из основных положений этой теории вытекало, что одновременность различных событий носят не абсолютный, а относительный характер. В классической физике абсолютный характер одновременности был связан с представлением о возможности мгновенной передачи физических взаимодействий в любую точку пространства. Эйнштейновское определение одновременности базируется на представлении о конечной скорости распространения любых материальных сигналов. Отсюда следует, что события, одновременные в одной движущейся материальной системе, могут оказаться неодновременными в другой системе, может даже изменится сам порядок их следования. Таким образом, можно говорить о собственном времени каждой системы отсчета. Универсальное абсолютное ньютоновское время должно уступить место бесконечным собственным временам различных инерциальных систем.

Специальная теория относительности связала воедино пространство и время, но она рассматривает их еще до некоторой степени самостоятельно по отношению к материи. Общая теория относительности (ОТО) или теория тяготения, созданная Эйнштейном через 10 лет после специальной, окончательно преодолевает эту ограниченность. Она рассматривает пространственно – временные характеристики в зависимости от распределения вещества и поля во Вселенной: чем выше плотность вещества и поля, тем более искривлено пространство и тем сильнее эффект «замедления времени» под действием полей тяготения. Величина кривизны пространства и замедления ритма времени определяется величиной, движением и распределением материальных масс, напряженностью поля тяготения.

В ОТО Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерциальных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Общая теория относительности заменяет закон тяготения Ньютона новым уравнением тяготения. Закон Ньютона получается как предельный случай эйнштейновских уравнений. Рассчитанное теоретически Эйнштейном отклонение луча света было впоследствии экспериментально подтверждено во время солнечного затмения, когда луч света от звезды проходит вблизи поля тяготения Солнца.

Таким образом, теория относительности исключила из науки понятие абсолютного пространства и абсолютного времени, обнаружив тем самым несостоятельность субстанциальной трактовки пространства и времени как самостоятельных, независимых от материи форм бытия. Она показала зависимость пространственно – временных свойств от характера материальных систем, подтвердилась правильность трактовки пространства и времени как основных форм существования материи. Сам Эйнштейн, отвечая на вопрос о сущности теории относительности сказал: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время».

Общая теория относительности показала зависимость геометрии от физики, зависимость геометрических свойств пространства и времени от физических свойств материи. На основании ОТО возникла релятивистская космология в которой выдвинут ряд современных моделей Вселенной.

ТЕМА 5. МИКРОМИР: КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ

5.1. Открытия в области физики конца XIX–начала XX веков

В конце XIX–начале XX вв. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о мире. Оказалось, что положения классической физики совершенно непригодны для исследования микромира. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 году благодаря открытию Дж. Томпсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Согласно первой модели атома, построенной ученым Э. Резерфордом, атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Ядро – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10^{-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.}

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. Беккерелем. Открытие сложной структуру атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества. Оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как о двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком Максом Планком. В конце XIX века в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, М. Планк пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах.Энергия каждого кванта, согласно Планку, пропорциональна частоте волны, то есть цвету излучаемого света:

E = hn,

где n – частота излучения; h – некоторая универсальная константа, получившая название постоянной Планка. О своем открытии Планк доложил 14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества. Этот день считается в истории физики днем рождения квантовой теории, открывшей новую эру в естествознании.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Эйнштейн. В 1905 году он перенес гениальную идею квантового поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было очень смелым, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам Планк, относивший свою квантовую формулу только к законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн же утверждал, что здесь речь идет о закономерности всеобщего характера. Он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярнуюструктуру света. Свет есть распространяющееся в мировом пространстве волновое явление, но световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Эйнштейновское учение о фотонах позволило объяснить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу в 1922 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Квантовая теория света относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по дифракции и интерференции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул.В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого ряда. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка позволила Н. Бору разработать новую модель атома.