7.2. Пространство и время в теории относительности а. Эйнштейна

Развивая релятивистскую концепцию Г.В. Лейбница, в 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879 – 1955 гг.) предложил совершенно новую теорию пространства и времени – так называемую специальную теорию относительности (СТО). СТО выявила зависимость пространственных и временных характеристик объектов от скорости их движения относительно определённой системы отсчёта и объединила пространство и время в единый четырёхмерный пространственно-временной континуум – пространство-время. Её основу составляют два постулата:

1. Принцип относительности: все инерциальные системы отсчёта эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов;

2. Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света.

Из этих двух постулатов математически следуют все положения СТО: (если скорость света постоянна для всех инерциальных систем отсчёта, а они равноправны, то длина тела, промежуток времени и масса тела для разных систем отсчёта будут различными.)

• Замедление времени. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной, для которой этот процесс будет более быстрым – явление, известное как «парадокс близнецов». Пусть, например, Пётр и Иван близнецы. Иван улетает с большой скоростью в далёкое космическое путешествие, а Пётр остаётся на Земле. Через какое-то время Иван возвращается и оказывается моложе Петра. Если v – скорость, с которой путешествовал Иван, а t₀ – время, которое прошло на Земле за время его путешествия, то время, которое прошло на борту его корабля , где с ≈ 310⁸ м/с – скорость света в вакууме. И чем больше скорость v, тем значительнее будет разница.

• Сокращение длины. С увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тела вдоль направления движения по закону: , где L₀ – линейные размеры тела в состоянии покоя; т.е. движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины (наблюдаемая длина космического корабля проносящегося мимо со скоростью близкой к скорости света, оказалась бы равной нулю);

• Увеличение массы. С увеличением относительной скорости увеличивается масса тела по закону: , где M₀ – масса тела в состоянии покоя; т.е. масса тела зависит от скорости его движения. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Т.о., не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства.

В 1916 г. А. Эйнштейн включил СТО в свою общую теорию относительности (ОТО). ОТО открыла зависимость метрических характеристик пространства-времени от распределения тяготеющих (гравитационных) масс, наличие которых приводит к искривлению пространства-времени, оно становится неевклидовым. Чем массивнее тело и больше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство-время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела.

Американский физик Уилер дал меткую характеристику ОТО: «Вещество говорит пространству, как тому надо искривляться, а пространство говорит веществу, как тому надо двигаться».

А сам Эйнштейн так охарактеризовал суть своей ОТО: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время».