Пространство и время. Принципы относительности

Теория относительности (специальная и общая) объединила механику И.Ньютона и электромагнитную теорию Дж.Максвела и изменила представления о пространстве и времени, господствовавшие в классической физике.

Специальная теория относительности. Специальная теория относительности (СТО) распространила принципы относительности, сформулированные Г.Галилеем для механических систем (см. 2.3.1) на электромагнитные системы.

Предпосылкой возникновения СТО были экспериментальные данные, которые показали, что скорость света остается неизменной во всех системах координат, независимо от скорости движения источника света. Однако эти выводы противоречили преобразованию Галилея, согласно которому скорость тела относительно неподвижной системы отсчета слагается из скорости тела и скорости системы отсчета (см. Основы классической физики).

А. Эйнштейн показал, что закон постоянства распространения света в вакууме и принцип относительности совместимы. В 1905 году он опубликовал работу, в которой изложил основные положения специальной теории относительности (СТО),

СТО опирается на два основополагающих принципа — принцип постоянства скорости света и принцип относительности.

1. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300 000 км/с.

2. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Не только механические, но и электромагнитные инерциальные системы отсчета равноправны по отношению друг к другу, а события, одновременные в одной системе, не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой.

Противоречия классической механики и теории относительности связаны с различиями в представлениях о свойствах пространства и времени.

Классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамках субстанциональной концепции. Здесь пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них процессов.

Согласно этой концепции пространство – это пустое вместилище для вещества, бесконечное, плоское, евклидово. Характеристиками пространства являются: однородность (одинаковость свойств во всем пространстве), изотропность (нет выделенных точек и направлений), трехмерность (три координаты x,y,z, характеризующие положение тела), симметричность.

Время есть совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. Понятие "время" выражает длительность и последовательность процессов (до, после, одновременно и т. п.). Характеристики времени: однородность, одномерность, однонаправленность (течет от прошлого к настоящему и от него к будущему).

Теория относительности опирается на реляционную концепцию пространства и времени, согласно которой пространство, характеризующееся тремя координатами x, y, z, и время t связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир - пространственно-временной континуум, в котором положение тела описывается четырьмя координатами x,y,z,t. Размеры тел (L)и время протекания процессов зависят от системы отсчета, в которой производится их измерение.

Согласно СТО переход от одной ИСО к другой, движущейся относительно первой со скоростью v, должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по преобразованиям Лоренца, в которых учитывается эта скорость движения. При малых скоростях движения ИСО, много меньших скорости света с, преобразование Лоренца переходят в преобразования Галилея. Следовательно, действие СТО становится значимым для систем, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.

Следствием СТО стало признание относительности измерения размеров и массы тел, а так же времени протекания процессов.

· Длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть различна;длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к длине в покоящейся.

· При увеличении скорости тела его масса не остается постоянной, а растет. Масса тела есть мера содержащейся в ней энергии, а энергия зависит от скорости движения. Эта зависимость отражена в известной формуле Е=mc².

· Время протекания процесса будет различным, если измерять его часами, движущимися с разными скоростями.Физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются (относительно неподвижной системы). Замедление хода времени подтверждается в ядерной физике, в частности, в опытах с элементарными частицами.

Следовательно, физический процесс может быть описан только по отношению к конкретной системе отсчета, выбор которой зависит от наблюдателя, т.е. для описания релятивистских явлений фактор наблюдателя становиться существенным.

Общая теория относительности. Общая теория относительности (гравитационная теория), созданная А.Эйнштейном в 1916 году, позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но и любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любыми ускорениями.

Для непрямолинейного или ускоренного движения принцип относительности в его прежней формулировке оказывается уже несправедливым, поскольку в системе координат, движущейся ускоренно (например, вращающейся), механические, оптические или электромагнитные явления протекают иначе, чем в инерциальных системах отсчета.

Используемый в специальной теории относительности четырехмерный континуум пространства-времени представляет собой евклидово или, как говорят, плоское пространство (примером евклидова пространства может служить обычная плоскость). В случае системы координат, движущейся ускоренно, положение какой-либо точки в пространстве может быть определено лишь с помощью криволинейной системы координат. Кривизна пространства измеряется отклонением от классических правил геометрии Евклида. Так, например, в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180⁰. Однако сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы (поверхность положительной кривизны) больше 180⁰, а на седловидной поверхности (поверхность отрицательной кривизны) меньше 180⁰.

Развитие этих идей А. Эйнштейном привело к представлению, что законы геометрии меняются около тяжелых тел. Новая теория получила название релятивистской теории гравитации. Она установила зависимость между метрическими свойствами пространства-времени и гравитационными взаимодействиями.

Согласно ОТО, все тела движутся по инерции, но динамика их движения определяется кривизной пространства-времени в области движения. Величина поля тяготения в каждой точке зависит от его кривизны. Движение точки в таком пространстве осуществляется не прямолинейно и равномерно, а по геодезическим линиям.

Выводы ОТО получили экспериментальное подтверждение. Приведем несколько примеров.

1. В астрофизике отмечается искривление траектории луча света вблизи массивных тел, отличное по величине от эффекта, предсказываемого классической теории. Такое искривление, например, испытывает луч света, проходящий возле Солнца. В 1919 г. научные экспедиции Лондонского Королевского общества, направленные для изучения солнечного затмения подтвердили правильность этого утверждения.

Наблюдается изменение видимого положения звезд вблизи края Солнца.

Наблюдается искривление (прецессия) эллиптических орбит планет, движущихся в поле сферических тел. Например, такое искривление зарегистрировано у ближайшей к Солнцу планеты - Меркурия.

2. Эффект «абсолютного» замедления времени в гравитационном поле или при ускоренном движении. Этот эффект зарегистрирован по измерению времени распада нестабильных ядер в гравитационном поле.

3. Частота света под действием поля тяготения смещается в сторону более низких значений.В результате этого эффекта линии солнечного спектра смещаются в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-1926 годах при изучении Солнца, а в 1925 г. при изучении спутника Сириуса.