Специальная и общая теория относительности А. Эйнштейна

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т. е. она рассматривала поведение материальных объектов с конеч­ным числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механи­ческими свойствами тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний меж­ду телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж.К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по пря­мым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью.

Как отмечал Эйн­штейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что «недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы» (Эйнштейн А. Принцип относительности. — Петроград.: Научное книгоиздательство, 1922. С. 14.) Из теории Максвел­ла вытекал вывод о конечной скорости распространения элек­тромагнитных взаимодействий и существовании электромаг­нитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматри­ваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов со­хранения и принципа близкодействия благодаря введению по­нятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по словам Эйнштейна, явилось "самым важным достиже­нием со времени Ньютона".[5] Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень сущест­венно для описания физических свойств пространства и време­ни.

Специальная теория относительности, созданная в 1905г., А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синте­за классической механики Галилея— Ньютона и электродина­мики Максвелла—Лоренца. "Она описывает законы всех физи­ческих процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, та­ким образом, оказывается ее частным случаем".[6]

Если классический принцип относительности утверждал инвариантность (неизменность) законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.

В соответствии со специальной теорией относительности пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в сопутствующей системе отсчета, т.е. двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими (относительными), так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом.

Специальная теория относительности объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум (континуум (лат. continuum – непрерывное) – непрерывная совокупность) В нем время эквивалентно пространственным координатам и играет роль четвертого измерения.

Согласно принципу относительности все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отделенное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпадет из хода развития на Земле.

Итак, в основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: ско­рость света в вакууме не зависит от скорости дви­жения источников света или наблюдателя и одинако­ва во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механиче­ского принципа относительности Галилея для любых физических процессов, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно данному постулату все инерциальные системы отсче­та совершенно равноправны, т. е. явления механиче­ские, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают оди­наково.

Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме — фундаментальное свойство приро­ды. Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоре­чили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсо­лютное время.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, 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”.[7] Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени.

В специальной теории относитель­ности А. Эйнштейна

современная формулировка принципа относи­тельности такова:

все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими слова­ми, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

Вместе с принципом относительности в физике утвердилось понятие инвариантности, а также, связь ее с законом сохранения и вообще с законами природы.

Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. В спе­циальной теории относительности постулируется ин­вариантность законов природы и скорости света в вакууме.

Специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классиче­ской ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изо­тропно. Специальная теория часто называется реляти­вистской теорией, а специфические явления, описы­ваемые ею, — релятивистским эффектом.

Теория относительности была первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше про­странство и время рассматривались обособленно от движения материальных тел, а само движение незави­симо от систем отсчета т.е. как абсолютное, то с воз­никновением специальной теории относительности бы­ло твердо установлено:

· всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут при­ниматься за системы отсчета, связанные с опреде­ленной системой координат;

· пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определя­ют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хо­тя и отличная от пространственных координат;

· специальная теория относительности показа­ла, что одинаковость формы законов механики для всех инерциальных, или галилеевых, систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинами­ки, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца.

· при обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процес­сы постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

Общая теория относительности, называемая ино­гда теорией тяготения, — результат развития специ­альной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

Общая теория относительности отказывается от требования рассмат­ривать лишь инерциальные системы отсчета, как это делает специальная теория. Благодаря такому глубокому обобщению она приходит к выводу: все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы.

3. Основные свойства пространства и времени.

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия.

Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые неразрывно связаны с другими ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.

Из всеобщих свойствпространства и времени следует, прежде всего, отметить:

1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).
2. Их абсолютность (универсальность)- они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.
3. Неразрывную связь друг с другоми с движущейся материей.
4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре - наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо “разрывов” в самом пространстве.
5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи - невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а так же неисчерпаемость их свойств.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно присутствует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы.

В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, а 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 общими характеристиками, имеют такие всеобщие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи.

К общим свойствам пространства относятся:

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

2. Связность и непрерывность - проявляются в характере перемещения тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия в передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо “разрывов” в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях. Вместе с тем пространству свойственна относительная прерывность, проявляющаяся в раздельном существовании материальных объектов и систем.

3. Трехмерность - общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). В одномерном или двумерном пространстве (линия, плоскость) не могли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

4. Пространству на всех известных структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Метрика может быть различной - евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны. Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Общие свойства времени:

1. Длительность - выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний. Аналогично протяженности пространства длительность относиться к метрическим свойствам.

2. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения, которые его вызывают. Но время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый их которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

3. Всеобщим свойством времени является необратимость, означающая 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 возникают из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимоотношению между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов.

Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной - настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него к будущему, но никогда наоборот.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего во все большей мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире: распад и неустойчивость частиц (нейтронов, мезонов) с излучением нейтрино. Установлено, что, и протоны могут распадаться за период времени порядка 10³¹ лет.

4. Одновременность времени проявляется и в линейной, генетически связанной между собой, системе измерений. 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 разворачивались бы в одинаковой последовательности.

Рассмотрим теперь специфические или локальные пространственно - временные свойства систем.

К пространственным свойствам относятся:

1. Контрольные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии свойственны как макромиру, так и микромиру, являются фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

3. Изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно также полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидному пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями в зависимости от распределения тяготеющих масс.

Дата добавления: 2014-01-07