Контрольные вопросы

1. Какой закон установил Г. Галилей?

2. В чем заключается механический принцип относительности Г. Галилея?

3. Каковы законы движения планет?

4. Каковы законы механики И. Ньютона?

5. В чем заключаются особенности механистической картины мира?

6. В чем заключается принцип дальнодействия?

7. Какой опыт провел Эрстед и в чем смысл этого опыта?

8. Какой опыт провел М. Фарадей?

9. В чем заключаются континуальные представления о материи?

10. Какую теорию создал Дж.К. Максвелл и в чем ее смысл?

11. Какие эксперименты подтвердили гипотезу Г. Герца?

12. Кем и когда был заложен фундамент квантовой теории?

13. Чему равен квант энергии?

14. Что является квантами света?

15. В чем заключается корпускулярно-волновой дуализм материи?

16. В чем заключается принцип неопределенности?

17. В чем заключается принцип дополнительности?

18. В чем заключается принцип суперпозиции?

19. Каковы философские выводы квантовой механики?

20. Какова концепция детерминизма?

21. Приведите примеры динамических теорий.

22. Каковы особенности статистических теорий?

23. Что такое вероятность?

24. В чем заключается принцип причинности и соответствия?

25. Каково значение квантовой механики?

26. В чем заключается суть теоремы Дж. С. Белла?

27. К каким изменениям в разных отраслях науки привели достижения квантовой механики?

Глава 5 концепция относительности пространства и времени

5.1. Специальная теория относительности (сто)

Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности, сформулированный Г. Галилеем. «Положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета». Явление сохранения скорости тела называется инерцией. Поэтому системы отсчета, относительно которых тела движутся с постоянной скоростью, называются инерциальными. Во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам.

I постулат. Все инерциальные системы отсчета равноправны между собой в отношении протекания физических процессов или иначе физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения отсчета. Они инвариантны. Классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета. Специальная теория относительности (СТО), созданная А. Эйнштейном (1905 г.), распространила данный принцип на законы электродинамики. СТО стала результатом обобщения и синтеза: классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света без учета тяготения. В соответствии со специальной теорией относительности пространство и время объединяются в единый четырехмерный пространственно-временной континуум.

Пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения.

Физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме, временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается. Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить.

Неинерциальными называют системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время. Принцип относительности утверждает равноправность не всяких систем отсчета, а только инерциальных, системы отсчета не эквивалентны – Землю можно рассматривать как инерциальную систему отсчета, а корабельную – неинерциальную.

Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течение 10^-8-10^-15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, и период распада возрастает в десятки и тысячи раз соответственно, возрастает длина пробега от рождения до распада. Таким образом, время не есть сущность, не зависящая от материи. Оно течет с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

Теория относительности доказала, что не существует и абсолютного времени, и абсолютного пространства.

В теории относительности мы наблюдаем неразрывную связь относительного и абсолютного как одно из проявлений физической симметрии. Поскольку скорость света является абсолютной величиной, то и связь пространства и времени также абсолютна. В каждой системе отсчета длина тела и временной промежуток будут различны, а эта величина остается неизменной. Увеличению длины будет соответствовать уменьшение промежутка времени в данной системе, и наоборот.

II постулат. Инвариантность скорости света. Скорость распространения света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Она абсолютна.

Скорость света – это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. В XIX в. она была измерена и оказалась 300000 км/с = 3 · 10⁸ м/с.

Проведем мысленный эксперимент: пусть большой спутник движется по орбите вокруг Земли, и с него, как с космодрома, запускается ракета – межпланетная станция к Венере. Запуск производится строго в направлении движения орбитального космодрома. Из законов классической механики следует, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно космодрома плюс скорость самого космодрома относительно Земли. Скорости движений складываются, и ракета получает довольно большую скорость, которая позволяет преодолеть притяжение Земли и улететь к Венере. Другой эксперимент: со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света. Какова скорость распространения света относительно Земли? Она остается такой же. Даже если свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном направлении, то и тогда относительно Земли скорость не изменится. Это иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Распространение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Другими словами, скорость света не складывается со скоростями его источника, она абсолютна, всегда одна и та же.

Основные релятивистские эффекты (следствия из постулатов А. Эйнштейна):

- относительность одновременности;

- относительность расстояний (релятивистское сокращение длин);

- относительность промежутков времени (релятивистское замедление времени);

-инвариантность пространственно-временного интервала между событиями;

- инвариантность причинно-следственных связей;

- единство пространства-времени (прил. 13);

- эквивалентность массы и энергии.

Соответствие СТО и классической механики. При скоростях, значительно меньших скорости света, законы специальной теории относительности переходят в законы классической механики, которая оказывается ее частным случаем. В этом проявляется важнейший методологический принцип естествознания – принцип соответствия, выражающий требование преемственности знаний при переходе от более сложных моделей мира к более простым.