Пародоксы теории относительности

Происхождение названия “теория относительности”

Название “теория относительности” возникло из наименования основного принципа (постулата), положенного Пуанкаре и Эйнштейном в основу из всех теоретических построений новой теории пространства и времени.

Содержанием теории относительности является физическая теория про-странства и времени, учитывающая существующую между ними взаимо¬связь геометрического характера.

Название же “принцип относительности” или “постулат относительности”, возникло как отрицание представления об абсолютной неподвижной системе отсчета, связанной с неподвижным эфиром, вводившимся для объяснения оп-тических и электродинамических явлений.

Дело в том, что к началу двадцатого века у физиков, строивших теорию оп-тических и электромагнитных явлений по аналогии с теорией упругости, сло-жилось ложное представление о необходимости существования абсолютной неподвижной системы отсчета, связанной с электромагнитным эфиром. Заро-дилось, таким образом, представление об абсолютном движении отно¬сительно системы, связанной с эфиром, представление, противоречащее более ранним воззрениям классической механики (принцип относительности Гали¬лея). Опы-ты Майкельсона и других физиков опровергли эту теорию “непо¬движного эфи-ра” и дали основание для формулировки противоположного ут¬вер¬ждения, ко-торое и получило название “принципа относительности”. Так это наз¬вание вво-дится и обосновывается в первых работах Пуанкаре и Эйнштейна.

Эйнштейн пишет: “... неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно “светоносной среды” ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя, и даже более того,- к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, имеют место те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Мы намерены это положение (со-держание которого в дальнейшем будет называться “принципом относи¬тель¬ности”) превратить в предпосылку... “ А вот что пишет Пуанкаре: “Эта невоз¬можность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет закон природы; мы приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности, и примем его без оговорок.”

Но крупнейший советский теоретик Л. И. Мандельштам в своих лекциях по теории относительности разъяснял: “Название “принцип относительности” – одно из самых неудачных. Утверждается независимость явлений от неуско¬ренного движения замкнутой системы. Это вводит в заблуждение многие умы” На неудачность названия указывал и один из творцов теории относительности, раскрывший ее содержание в четырехмерной геометрической форме, – Герман Минковский. В 1908 г. он утверждал: “... термин “постулат относительности” для требования инвариантности по отношению к группе , кажется мне слиш-ком бедным. Так как смысл постулата сводится к тому, что в явлениях нам да-ется только четырехмерный в пространстве и времени мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть взяты с неко¬торым произво-лом, мне хотелось бы этому утверждению дать название: постулат абсолютно-го мира”

Таким образом, мы видим, что названия “принцип относительности” и “теория относительности” не отражают истинного содержания теории.

Теория относительности, как современная

теория пространства-времени.

Содержание теории относительности, как четырехмерной физической тео-рии пространства и времени, впервые отчетливо было вскрыто Германом Мин-ковским в 1908 г. Лишь опираясь на эти представления, Эйнштейн сумел в 1916 г. построить общую теорию пространства-времени, включающую явление гра-витации (общая теория относительности).

Основным отличием представлений о пространстве и времени теории отно¬си¬тельности от представлений ньютоновской физики является ограни¬ченная взаимосвязь пространства и времени. Эта взаимосвязь раскрывается в фор-мулах преобразования координат и времени при переходе от одной системе от-счета к другой (преобразования Лоренца)

Вообще каждое физическое явление протекает в пространстве и времени и не может быть изображено в нашем сознании иначе, как в пространстве и во времени. Пространство и время суть формы существования материи. Никакой материи не существует вне пространства и времени. Конкретным изображени-ем пространства и времени является система отсчета, т.е. коорди¬натно-временное многообразие чисел составляющие вообра¬жаемую сетку и временную последовательность всех возможных простран¬ствен¬ных и времен-ных точек. Одно и то же пространство и время могут изображаться различными координатно-временными сетками (системами отсчета).

Вместо чисел пространство-время может изображаться числами причем эти числа не произвольны, а связаны с предыдущими со-вершенно определенного вида формулами преобразования, которые и выража-ют свойства пространства-времени.

Итак, каждое возможное изображение пространства и времени можно свя-зать с определенной системой отсчета, систему отсчета – с реальным телом, ко-ор¬динаты – с конкретными точками тела, моменты времени с показаниями конкретных часов, расставленных в различных системах отсчета. Тело отсчета необходимо для проведения конкретных измерений пространственно-временных отношений.

Не следует однако отожествлять систему отсчета с телом отсчета, как это предполагают физики. Физики при изображении явлений пользуются любыми системами отсчета, в том числе и такими с которыми невозможно связать ка-кое-либо реальное тело. Основанием для такого выбора служит представление о полном равноправии всех мыслимых систем отсчета. Следовательно, выбор системы отсчета является лишь выбором способа изображения пространства и времени для отображения исследуемого явления.

Если выбраны две системы отсчета и , каждая из которых подобным образом изображает одно и то же пространство-время, то, как это установлено в теории относительности, координаты в системах и связаны так, что интер-вал , определяемый для двух разобщенных событий как

(a)

остается одинаковым при переходе от Е к Е’, т.е.

(b)

Иначе говоря, является инвариантом преобразований Лоренца, связы-вающих координаты и время в и : , (c)

Из (c), так же как из (a) и (b), следует относительность одновременности пространственно разобщенных событий, т.е. для двух событий, в системе движущейся со скоростью , будем иметь (d)

В этих свойствах пространственно-временных координат и отражается су-щество новых представлений о пространстве и времени, связанных в единое геометрического типа многообразие, многообразие с особой, определяемой (а) и (b) четырехмерной псевдоевклидовой геометрией, геометрией, в которой время тесно связано с пространством и не может рассматриваться независимо от последнего, как это видно из (d).

Из этих же представлений вытекают важнейшие следствия для законов природы, выражаемые в требовании ковариантности (т.е. неизменяемости формы) любых физических процессов по отношению к преобразованиям четы-рехмерных пространственно-временных координат. В требовании также отра-жается представление о пространстве-времени как о едином четырехмерном многообразии. Так представляют себе физики, конкретно применяющие теорию относительности, ее реальное содержание. При этом понятие относительности приобретает лишь смысл возможной множественности пространственно-временных изображений явлений при абсолютности содержания, т.е. законов природы.

Постулаты Эйнштейна.

Преобразования Лоренца, отражающие свойства пространства-времени, были выведены Эйнштейном, исходя из 2 постулатов: принципа относительно-сти и принципа постоянства скорости света.

1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зави-сят от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относитель-но друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состоя-ния относятся.

2. Каждый луч света движется в “покоящейся” системе координат с опреде-ленной скоростью , независимо от того, испускается ли этот луч света покоя-щимся или движущимся телом.

Значение этих постулатов для дальнейшего развития теории пространства-времени состояло в том, что их принятие прежде всего означало отказ от ста-рых представлений о пространстве и времени, как о многообразиях, не связан-ных органически друг с другом.

Принцип относительности сам по себе не представлял чего-либо абсолютно нового, т.к. он содержался и в Ньютоновской физике, построенной на базе классической механики. Принцип постоянства скорости света также не был чем-то абсолютно неприемлемым с точки зрения ньютоновских представлений о пространстве и времени.

Однако эти два принципа, взятые вместе привели к противоречию с кон-кретными представлениями о пространстве и времени, связанные с механикой Ньютона. Это противоречие можно проиллюстрировать следующим парадок-сом.

Пусть в системе отсчета в начальный момент в точке, совпадающей с началом координат произошла вспышка света. В последующий момент вре-мени фронт световой волны, в силу закона постоянства скорости света, рас-пространился до сферы радиуса с центром в начале координат системы . Однако в соответствии с постулатами Эйнштейна, это же явление мы можем рассмотреть и точки зрения системы отсчета , движущейся равномерно и прямолинейно вдоль оси , так, что ее начало координат и направления всех осей совпадали в момент времени с началом координат и направлениями осей первоначальной системы . В этой движущейся системе, соответственно постулатам Эйнштейна, за время свет также распространится до сферы ра-диуса , однако, в отличие