Часть 6 Принципы относительности и дополнительности

6.1. Какие величины изменяются и, напротив, остаются неизменными при переходе между инерциальными системами отсчета, исходя из преобразований Галилея?

«Преобразования Галилея» – переход из одной инерциальной системы координат в другую в рамках классической (ньютоновской) механики.

Под инерциальной системой координат понимается система отсчёта, которая находится в состоянии покоя или поступательного (прямолинейного) движения с постоянной скоростью.

В «преобразованиях Галилея» x и t – положение и время в условно неподвижной системе отсчета, x′ и t′ – положение и время в системе отсчета, движущейся относительно первой равномерно и прямолинейно со скоростью v (Рис. 9).

Данные преобразования показывают, что при смене инерциальной системы отсчёта ОСТАЮТСЯ НЕИЗМЕННЫМИ РАЗМЕРЫ тела и ВРЕМЯ, но ИЗМЕНЯЮТСЯ СКОРОСТЬ И КООРДИНАТЫ тела:

Рис. 9. Преобразования Галилея

Свойство инерциальности системы отсчёта связано с понятиями однородности и изотропии пространства (п. 4.3) и однородности времени по отношению к такой системе отсчета. Однородность пространства и времени означает эквивалентность всех положений свободной частицы в пространстве во все моменты времени, а изотропность пространства – эквивалентность различных направлений в нем. Неизменность характера свободного движения частицы в любом направлении пространства является очевидным следствием этих свойств.

Имеется сколько угодно инерциальных систем отсчета, движущихся друг относительно друга с постоянными скоростями. Полная физическая эквивалентность всех инерциальных систем отсчета показывает, в то же время, что не существует «абсолютной» системы, которую можно было бы предпочесть всем другим системам.

6.2. В чём состоит сущность принципов относительности и дополнительности?

Принципы относительности и дополнительности, заложенные в начале ХХ в., помогли понять сложную природу объектов материального мира. Сущность данных принципов состоит в следующем:

ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (А. Эйнштейн): Любое физическое явление при тех же условиях протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчёта (п. 6.1).

ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ (Н. Бор): получение экспериментальных данных об одних физических величинах неизбежно связано с уменьшением точности измерения величин, дополнительных к первым (например, координата и импульс частицы), и лишь вся сумма даёт исчерпывающую информацию об объекте. Данный принцип стал составной частью квантово-механического описания поведения объектов микромира.

6.3. В чём состоит сущность общей теории относительности? Какие следствия вытекают из неё?

Разработанные А. Эйнштейном в начале ХХ в. положения показали несовершенство господствовавших в физике того времени представлений о пространстве и времени как «абсолютных» категориях. Сейчас общепризнанно, что МАТЕРИЯ СУЩЕСТВУЕТ В ЕДИНОМ ПРОСТРАНСТВЕ-ВРЕМЕНИ и неразрывно связана с ним.

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ОТО) А. Эйнштейна описывает поведение систем в поле сильных гравитационных взаимодействий, а СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО, п. 6.4.) – поведение систем в случаях, когда гравитационными взаимодействиями можно пренебречь. Необходимо отметить, что позже положения обеих теорий нашли экспериментальное подтверждение.

Согласно ОТО, пространство вблизи массивных тел искривлено. Следствием этого является неевклидов характер геометрии Вселенной. Например, в больших масштабах такое искривление должно выражаться в отклонениях от суммы углов треугольника (Рис. 10). Данное свойство впоследствии было использовано для разработки возможных сценариев эволюции Вселенной.

Рис. 10. Нарушение евклидова характера геометрии пространства в общей теории относительности [91]

Если рассмотреть луч света, удаляющийся от Земли, фотоны по мере удаления теряют свою кинетическую энергию, т.к. гравитационное поле Земли их «затормаживает». Но скорость движения фотонов (с) измениться не может, она соответствует скорости света в вакууме, фундаментальной физической константе. Согласно формуле Планка, уменьшение энергии приведёт к уменьшению частоты излучения света . Это равносильно увеличению периода колебаний Т, что эквивалентно ЗАМЕДЛЕНИЮ ВРЕМЕНИ:

 = 1/T

Выводы общей теории относительности о пространства-времени можно свести к следующему:

• характер пространства-времени зависит от величины поля тяготения;

• в поле тяготения время (относительно расчета без поля) замедляется, а пространственные (радиальные) размеры сокращаются;

• структура пространства-времени зависит от распределения тяготеющих масс и в общем случае не является евклидовой.

Согласно общей теории относительности:

• Световые лучи вблизи массивных тел искривлены по причине нарушения евклидова характера геометрии пространства.

• Частота световых колебаний в поле тяготения должна смещаться в сторону меньших значений (эффект гравитационного красного смещения).

• Сильные гравитационные поля замедляют ход времени.

• Невозможно отличить состояние покоя от движения с ускорением в гравитационном поле.