11. Единство пространства и времени в сто

Единство материи, движения, пространства и времени. Существовало воззрение, согласно которому пространство — это как бы грандиозное вместилище, куда помещена материя. Время мыслилось наподобие потока, все увлекающего за собой и все поглощающего. Считалось, что мировое пространство заполнено абсолютно неподвижным эфиром, а в движущемся теле ощущается “эфирный ветер”, подобный ветру, который овевает бегущего человека. Так сначала пространство отрывается от протяженных вещей, а время — от реальных процессов, а затем говорится об их абсолютном бытии. Согласно Ньютону, пространство неизменно, неподвижно, его свойства не зависят ни от чего, в том числе и от времени; они не зависят ни от материальных тел, ни от их движения. Из пространства можно убрать все тела, и все же пространство останется и свойства его сохранятся. Такие же взгляды были у Ньютона и на время. Он считал, что время течет одинаково во всей Вселенной и это течение не зависит ни от чего, а поэтому время абсолютно. Идея абсолютного пространства и времени соответствовала определенной физической картине мира, а именно: системе взглядов на материю как на совокупность отграниченных друг от друга атомов, обладающих неизменными объемом и инертностью (массой) и действующих друг на друга мгновенно либо на расстоянии, либо при соприкосновении. Изменение физической картины мира изменило и воззрения на пространство и время. Открытие электромагнитного поля и выяснение несводимости поля к состояниям механической среды — мирового эфира — вскрыли несостоятельность классической картины мира. Оказалось, что материя не может быть представлена как совокупность отдельных, строго отграниченных друг от друга элементов. В действительности частицы вещества связаны друг с другом в единые системы полем, действие которого передается с конечной скоростью, одинаковой в любой замкнутой системе (со скоростью света в вакууме).

11. Общая теория относительности. Постулаты ОТО. Принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс, неразличимость ускоренного движения и покоя в гравитационном поле. Эмпирические доказательства справедливости ОТО.

Общая теория относительности (ОТО).

В общей теории относительности Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы отсчета (НИСО).

Началась ОТО с принципа эквивалентности (сильного). Никакой эксперимент – ни механический, ни какой-либо другой – не дает возможность отличить инертную массу от гравитационной. (Пример: человек в лифте, движущемся в космическом пространстве с ускорением равным ускорению свободного падения так же чувствует себя, как в поле тяготения Земли). Следовательно, силы инерции, вызываемые ускорением, нельзя отличить от гравитационных сил.

С понятием пространства тесно связана геометрия. Самой древней геометрией является геометрия Евклида (геометрия на плоскости). В основе геометрии Евклида лежат 5 аксиом, которые определяют такие понятия как Точка, прямая, плоскость и их взаимное расположение. Пятая аксиома евклида гласит: предположим, что имеется прямая линия и точка вне ее. Тогда через эту точку можно провести одну и только одну прямую параллельную данной прямой.

Немецкий математик Карл Гаусс заметил, что при переносе геометрии Евклида на искривленную поверхность (например, поверхность сферы) пятая аксиома перестает быть справедливой. В этом случае нет ни одной прямой параллельной данной. И сумма внутренних углов треугольника на такой поверхности больше 180^о. Ученик Гаусса Георг Риман обобщил геометрию Гаусса на три и более измерений и придумал способ выполнения расчетов и предсказания результатов. Так возникла новая геометрия – геометрия Гаусса-Римана. Идеи Римана развили математики Риччи и Кристоффель. Вершиной их трудов стал очень красивый, но весьма абстрактный раздел математики – тензорное исчисление. Именно его использовал Эйнштейн при создании общей теории относительности.

Тензорное исчисление позволяло выразить принцип эквивалентности и принцип ковариантности математически.

Принцип ковариантности: законы физики не должны зависеть от системы координат.

Постулаты специальной теории относительности (СТО).

Теория относительности занимается описанием событий в различных системах отсчета.

СТО (релятивистская теория) была впервые опубликована в 1905 году. Первоначально Эйнштейна интересовало, что происходит с электрическими и магнитными полями при скоростях, близких к скорости света. Но созданная им теория описывала не только поведение этих полей. В ней речь шла о понятиях: пространство, время, масса, электрические и магнитные поля. В ней говорилось о том, что происходит с пространством, временем и массой, когда тела движутся со скоростями близкими к скорости света.

Как понимали пространство и время до Эйнштейна? Пространство – это пустота, в которой существует все остальное. Время – это хронологическая последовательность событий в этой пустоте.

В начале и Эйнштейн рассматривал пространство и время по отдельности.

На самом деле все намного сложнее.

Теория Эйнштейна утверждает, что пространство – это физический «объект». Он может изменяться от точки к точке, растягиваться, искривляться.

СТО – это, на первый взгляд, слегка модернизированная механика Ньютона. СТО описывает ИСО, движущиеся с любыми скоростями.

Основные постулаты СТО: