Пространство и время в специальной и общей теории относительности

Принцип относительности, впервые установленный Г. Галилеем и сформулированный в механике И. Ньютоном, сыграл важную роль в естествознании, соединив физику с математикой. Лишь после этого в естествознание на смену наблюдений стали приходить аналитические методы. Для понимания принципа относительности необходимо ввести понятие системы отсчета или координат.

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.

Анализ принципа относительности Галилея привел А. Эйнштейна к выводу двух постулатов, которые легли в основу специальной теории относительности.

1. Принцип относительности: «В любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом».

2. Принцип постоянства скорости света: «Во всех инерциальных системах скорость света с одинакова и равна 10⁸ м/с».

Первый принцип распространяет принцип относительности Галилея на законы электродинамики.

Второй принцип основан на установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света, полученного из опыта Майкельсона – Морли.

Специальная теория относительности А. 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.

Независимость скорости света ни от направления распростране­ния, ни от скорости источника ставит точку в спорах относитель­но существования «мирового эфира», возмущениями которого яв­ляются электромагнитные волны. Таким образом, инвариантность скорости света является существенным подтверждением принципа относительности. Установлена новая фундаментальная связь между энергией и массой материальных тел, выражающаяся соотношением Е = тс².

Из специальной теории относительности следует, что время, линейные размеры и масса тел являются относительными. Их величина зависит от того, в какой инерциальной системе координат мы их рассматриваем. Время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, что промежуток времени между какими-либо двумя событиями зависит от выбора системы координат и, следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе координат, будут не одновременными в других системах отсчета.

Из общей теории относительности был получен ряд важных научных выводов:

1) свойства пространства-времени зависят от движущейся материи, от массы (вблизи тел, обладающих значительной массой, пространство-время искривляется), так что в гравитационном поле распределенных масс пространство становится неевклидовым, а ход времени вблизи тел замедляется;

2) луч света должен искривляться в поле тяготения;

3) частота света в результате действия поля тяготения должна изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного света под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного спектра по сравнению со спектрами соответствующих земных источников.

Подтверждение общей теории относительности получено при от­клонении луча света в гравитационном поле Солнца, которое было обнаружено во время солнечного затмения 29 мая 1919 г. Красное смещение в спектрах небесных тел также было обнаружено в 1923– 1926 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. – при наблюдении спектра спутника Сириуса. Экспериментальное подтверждение выводов общей теории относительности явилось ее триумфом. Она произвела переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной.

Дата добавления: 2014-01-03