Пространство и время в современной научной картине мира

Солнечная система.

Представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов)*, комет и бесчисленное множество метеоритных тел. Последние движутся как в виде отдельных частиц, так и роями. Все тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Все планеты вращаются вокруг Солнца, в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет – вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение солнечной системы: каждая следующая планета удалена от солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание закономерности строения солнечной системы, трудно допустить случайность ее образования.

Солнечная система образовалась около 5 миллиардов лет назад, причем Солнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений. О происхождении солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше, чем необходимо для создания теории планетообразования.

Современные концепции происхождения планет солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать как механические, так и другие силы, в частности электромагнитные. Вполне вероятно, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении солнечной системы. Существующие теории происхождения солнечной системы носят гипотетический характер и не позволяют однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки.

Современной физической теорией пространства и времени является созданная А. Эйнштейном теория относительности, состоящая из двух частей: специальной (1905 г.) и общей теории относительности (1916 г.).

Специальная теория относительности (СТО). Описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света в инерциальных системах, то есть без учета полей тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем. В основе СТО лежат два постулата:

1) принцип относительности. А. Эйнштейн его сформулировал следующим образом: «все инерциальные системы отсчета равноправны (неотличимы) между собой в отношении протекания физических процессов». Согласно принципу относительности, равномерное прямолинейное движение в замкнутой системе не влияет на ход физических процессов, происходящих в системе;

2) принцип неизменности (инвариантности) скорости света: скорость света в вакууме (с) одинакова во всех системах отсчета (310⁸ м/с).

Первый постулат является обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы (механические, электромагнитные, оптические и т.д.). Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем является постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю. Даже скорость звука всего лишь 8,410² м/с. Это неподвижность по сравнению со скоростью света.

Из принципа относительности вытекает практическая задача установить правила перехода от одной инерциальной системы к другой. Другими словами, требуется установить функциональную зависимость координат пространства и времени в одной инерциальной системе (x₁, y₁, z₁, t₁) от координат и времени другой (x₂, y₂, z₂, t₂). Тогда теория относительности дает следующие формулы, полученные чисто математическим путем.

Пусть u – скорость движения одной системы отсчета по отношению к другой в направлении оси х. Тогда

, (1)

, (2)

y₁=y₂, z₁=z₂. Из формул (1) и (2) следует относительность пространства и времени. Если l – длина тела в покоящейся системе, а l^' – длина тела в движущейся системе отсчета со скоростью u по отношению к неподвижной системе, получим

, (3)

т.е. длина тела в движущейся системе отсчета будет меньше, чем длина тела в покоящейся системе.

Для промежутка времени, длительности какого-либо процесса – наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной. В последней процесс будет более быстрым в соответствии с формулой (4)

, (4)

Еще раз подчеркнем, что эффекты СТО будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.

А. Эйнштейн наглядно показывает, как происходит замедление течения времени в движущейся системе по отношению к неподвижной. Пусть мимо железнодорожной платформы проходит поезд со скоростью, близкой скорости света: u» с.

На платформе в точке А ₁ находится наблюдатель N ₁ (или прибор, фиксирующий эксперимент). На полу вагона в точке А размещен фонарик, когда точка А в вагоне совместится с точкой А ₁ на платформе, фонарик включается и появляется луч света. Для того, чтобы достигнуть потолка вагона, где расположено зеркало и отразиться обратно, необходимо время, за которое поезд уйдет вперед.

Для наблюдателя в вагоне (N) луч света пройдет путь 2 АВ, а для наблюдателя на платформе – 2 АС. Очевидно, что 2 АС >2 AB. Чем больше скорость поезда, тем длиннее линия АС. Итак, мы проиллюстрировали замедление течения времени внутри движущейся системы по отношению к неподвижной. Наблюдатель, находящийся внутри вагона по своим часам, скажем, ждет полчаса. А по часам наблюдателя на платформе происходит значительно больше времени.

Другой пример. Космонавт 25 лет отправился в полет на корабле со скоростью u=0,99 с. По часам корабля возвращение на Землю состоялось через год. На Земле, согласно расчетам по формуле (4) прошло 50 лет.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум (лат. непрерывность), т.е. события и явления должны рассматриваться не в трехмерных, а в четырехмерных координатах. Ньютоновские понятия абсолютного пространства и времени потеряли свой смысл.

Связь пространства и времени обнаруживается как некоторая абсолютная величина. Она выражается пространственно-временным интервалом S: . В каждой системе отсчета длина тела (l) и временной промежуток (t) будут различны, а S останется неизменной. Увеличению длины будет соответствовать уменьшение промежутка времени в данной системе, и наоборот.

Общая теория относительности явилась результатом развития СТО. Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы, т.е. стремится учесть поля тяготения. В ней он исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерциальных и гравитационных или эквивалентности инерциальных и гравитационных полей. ОТО называют теорией тяготения. Ее смысл: «свойства континуума пространство-время в данной инерциальной системе отсчета определяются действующими в ней полями тяготения». Так при наличии гравитационного поля прямолинейное равномерное движение в обычном трехмерном пространстве становится не прямолинейным и не равномерным. Происходит искривление континуума пространство-время. Таким образом, мы сталкиваемся с необходимостью рассматривать явления в «криволинейных четырехмерных координатах». Физические законы должны быть сформулированы в соответствующей математической форме (т.е. должны быть введены поправки).

Экспериментальным доказательством справедливости этих теоретических представлений является искривление световых лучей в гравитационном поле. Экспедиции, наблюдавшие солнечные затмения 29 мая 1919 и 21 сентября 1921 гг. обнаружили, что искривление света близко к значению, предсказываемому общей теорией относительности. И, наконец, третий экспериментальный результат не только соответствовал ОТО, но и дал мощный импульс развития на базе ОТО космологии. Речь идет об открытии в 1929 году Э. Хабблом смещения спектральных линий звезд по частоте в сторону красного света («красное смещение»). Это открытие свидетельствовало о расширении Вселенной, разбегании галактик. Несколько ранее (1922…1924 гг.) Фридманом были получены решения уравнений тяготения для нестационарной Вселенной, что и было экспериментально подтверждено открытием Хаббла.

Дата добавления: 2014-01-07