6. Пространство и время в современной научной картине мира

6.1. Развитие взглядов на пространство и время

К оглавлению

Пространствоивремякак всеобщие и необходимые формы существования материи являются фундаментальными категориями в современной науке. Огромную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый Галилеем общий принцип классической механики –принцип относительности. Согласно этому принципу,все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Математические преобразования Галилея устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени, ускорения.

Из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если оно равномерно и прямолинейно – нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится?

Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой – всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета.

Проблема пространства и времени тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство. Концепция же близкодействия была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

6.2. Специальная теория относительности

К оглавлению

Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея–Ньютона и электродинамики Максвелла–Лоренца. СТО часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией – релятивистским эффектом. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скорости движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем.

Основу СТО составляют два постулата (принципа):

1. Принцип относительности Эйнштейна: он явился обобщением принципа относительности Галилея на любые физические явления. Этот принцип гласит: все физические процессы (при одних и тех же условиях) в инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

2. Принцип постоянства скорости света:скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света. Скорость света в вакууме – предельная скорость в природе (с = 300 000 км/с).

Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

Как и в механике Ньютона, в СТО полагается, что пространство однородно и изотропно, время однородно. Но если у Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство – время (называемое часто четырехмерным миром Германа Минковского, впервые предложившего такую трактовку). Все это говорит о том, что переход от одной инерциальной системы отсчета к другой при больших скоростях (сравнимых со скоростью света) должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по другим.

Ими являются преобразования Лоренца, из которых, как и из постулатов СТО, вытекает ряд следствий. Рассмотрим некоторые из них.

1. Закон сложения скоростей:

,

К оглавлению

где V₀– скорость подвижной системы координат К' относительно неподвижной системы К;V '_x – скорость материальной точки в системе К';V_х – скорость относительно системы К.

Из этого закона следует, что если V '_x иV₀намного меньшес, то релятивистский закон сложения скоростей переходит в классические преобразования Галилея для скоростей. А если скорость частицы относительно какой-либо инерциальной системы отсчета равна скорости света в вакууме, то она будет такой же относительно любой другой инерциальной системы. Это означает, что если одна из скоростей равнас, то сумма скоростей будет равна тожес.

Таким образом, при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Все это находится в согласии со вторым постулатом СТО.

2. Следствием СТО явилась и зависимость массы тела от скорости его движения:

,

где m₀ – масса покоя электрона, m – его масса при скорости движения V.

Если m₀0, то частица не может двигаться со скоростьюVс, т. к. это соответствовало бы бесконечно большой или мнимой массе, что абсурдно. Если же масса покоя частицыm₀= 0 (например фотон), то скорость такой частицы может быть равна толькос. Таким образом, масса тела есть величина относительная, абсолютный характер имеет масса покоя.

3. Относительность промежутка времени:

,

где t₀– время по часам, движущимся вместе с объектом со скоростьюV, t – время по часам в неподвижной системе отсчета.

Как видно, собственное время является минимальным, т. е. физические процессы в движущейся системе замедляются, но это становится заметным только при больших скоростях.

В связи с релятивистским замедлением времени в свое время возникла проблема «парадокса часов» (иногда рассматриваемая как «парадокс близнецов»), вызвавшая многочисленные дискуссии.

Замедление хода времени подтверждается в ядерной физике, в частности в опытах с мюонами.

4. Линейные размеры тела зависят от скорости движения.

К оглавлению

Так, длина тела, в движущейся системе, будет наименьшей по отношению к покоящейся. По формуле:

,

где – длина тела в движущейся системе со скоростьюVпо отношению к неподвижной системе;₀– длина тела в покоящейся системе.

5. Важнейшим следствием СТО явилась знаменитая формула Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е=mс², нашедшая свое подтверждение в современной физике.