Концепция относительности пространства-времени

Введение.

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи со свойствами движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальные из¬менения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как геометрический параметр, знак которого можно менять на обрат¬ный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обрати¬мые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней прост¬ранство и время, как формы существования материи, изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего связь между ними ос¬тается нераскрытой. Современная концепция физического про¬странства-времени значительно обогатила наши естественнона¬учные представления, которые стали ближе к действительности. Поэтому знакомство с ними следует начать с теории пространства-времени в том виде, как она представлена в современной физи¬ке. Предварительно, однако, необходимо напомнить некоторые положения, относящиеся к классической механике Галилея.

1. Принцип относительности в классической механике.

Впервые этот принцип был установлен Галилеем, но окончатель¬ную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Для его понимания нам потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некото¬рому другому телу, которое называется системой отсчета. С этим телом связана соответствующая система координат, например, знакомая нам декартова система координат. На плоскости движе¬ние тела или материальной точки определяется двумя координатами: абсциссой х, показывающей расстояние точки от начала ко¬ординат по горизонтальной оси, и ординатой у, измеряющей рас¬стояние точки от начала координат по вертикальной оси. В пространстве к этим координатам добавляется третья координа¬та z.

Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, ли¬бо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что для них выполня¬ется принцип относительности.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы описываются одинаковым образом.

Точнее говоря, в таких системах законы движения тел описыва¬ются теми же самыми математическими уравнениями или формулами. Иллюстрируя этот принцип, Галилей приводил пример равномерного прямолинейного движения корабля, внутри которого все явления происходят также как на берегу.

2. Специальная теория относительности и ее роль в науке.

Когда в естествознании господствовала механистическая карти¬на мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительно¬сти не подвергался никакому сомнению. Положение резко из¬менилось, когда физики вплотную приступили к изучению эле¬ктрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объе¬динил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явле¬ний природы. В связи с этим естественно возник вопрос: вы¬полняется ли принцип относительности и для электромагнит¬ных явлений?

Описывая ход своих рассуждений, создатель теории относитель¬ности Альберт Эйнштейн указывал на два аргумента, которые свидетельствовали в пользу всеобщности принципа относи¬тельности.

1. Этот принцип с большой точностью выполняется в механике,

и поэтому можно было надеяться, что он окажется правиль-¬

ным и в электродинамике.

2. Если инерциальные системы неравноценны для описания явле-¬

ний природы, то разумно предположить, что законы природы

проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе.

Например, в системе отсчета, связанной с движущимся вагоном, механические процессы описывались бы сложнее, чем в систе¬ме, отнесенной к железнодорожному полотну. Еще более пока¬зателен пример, когда рассматривается движение Земли во¬круг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Если бы принцип относительности в данном случае не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и простран¬ственной ориентировки Земли. Ничего подобного, то есть фи¬зической неравноценности различных направлений, не обна¬ружено. Однако здесь возникает кажущаяся несовместимость принципа относительности с хорошо установленным принци¬пом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает дилемма: либо отказаться от принципа постоянства скорости света, либо — от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно, что отказ от него был бы явно неоправданным. К тому же это привело бы к чрезмерно¬му усложнению описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относитель¬ности в области электромагнитных процессов.

В действительности, как показал А. Эйнштейн:

Закон распространения света и принцип относительности совместимы. И зто положение составляет одну из основ специальной теории относительности.

Кажущееся противоречие принципа относительности закону по¬стоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась «на две ничем не оправданные гипотезы»:

1) промежуток времени между двумя событиями не зависит от

состояния движения тела отсчета;

2) пространственное расстояние между двумя точками твердого

тела также не зависит от состояния движения тела отсчета.

Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными, гипотез, класси¬ческая механика молчаливо предполагала, что величины про¬межутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т. е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходило, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну се¬кунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета ос¬таются одинаковыми. И хотя эти предположения с точки зрения обыденного сознания и так называемого здравого смысла кажутся само собой очевидными, тем не менее, они не согласу¬ются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относи¬тельности.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим, каким ус¬ловиям должны удовлетворять преобразования пространст¬венных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времени, то уравнения преобразования будут иметь следующий вид преобразований Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворять также требова¬нию постоянства скорости света, то они описываются преобразованием Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853—1928).

Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что движущаяся твердая линейка будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется.

Для того чтобы гарантировать, что принцип относи¬тельности имеет общий характер, т.е. законы электромагнит¬ных процессов имеют одинаковую форму для инерциальных систем, Эйнштейну пришлось отказаться от галилеевских преобразований и принять преобразования Лоренца.

Специальная теория относительности возникла из электродина¬мики и значительно упростила вывод зако¬нов и уменьшила количество независимых ги¬потез, лежащих в ее основе. Однако чтобы стать согласованной с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти из¬менения касаются в основном законов быстрых движений – скорость которых сравнима со скоростью света. В земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют край¬не малую величину, и ими можно пренебречь.

Во втором законе Ньютона (F= та) масса считалась постоянной, но в теории относительности она зависит от скорости движе¬ния. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса тела неограниченно растет и в пределе приближается к бесконеч¬ности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны. Движе¬ния со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере движения электронов в их ускорителях. Эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания теории об увеличении их массы с возрастанием скорости.

3. Понятие пространства-времени в специальной теории относительности.

В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмот¬реть прежние представления классической механики о прост¬ранстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютонов¬ского понятия абсолютного пространства и времени, а также от определения движения тела относительно этого абсолютного пространства.

Каждое движение тела происходит относительно определен¬ного тела отсчета, и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

Отсюда становится также ясным, что для Эйнштейна основные физические понятия, такие, как пространство и время, приобретают ясный смысл только