Тема 4. О пространстве и времени.
Эволюция представлений о пространстве и времени.
Элементы теории относительности.
Эмпирические доказательства ОТО.
4.1. Эволюция представлений о пространстве и времени.
В донаучной картине мира пространство и время нередко отрывались от материи, рассматривались как самостоятельные сущности. Так, например, в концепции Ньютона абсолютное пространство понималось как бесконечная протяженность (трехмерное пространство), а абсолютное время – как текущая безотносительно к каким-либо изменениям равномерная длительность, в которой все возникает и исчезает.
В физике до конца 19 века предполагалось, что свет распространяется в некоторой универсальной среде – эфире. Мировой эфир – гипотетическая всепроникающая среда, которой наука прошлых лет приписывала роль переносчика света и вообще электромагнитных взаимодействий. Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу, в которой распространение световых волн уподоблялось распространению звука в упругой среде. В 1881 с целью измерения влияния Земли на скорость света был поставлен опыт А.А. Майкельсона (амер.). При этом ряд явлений (аберрация света, опыт Физо) приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении. Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир и скорость света по отношению к земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления ее движения в эфире. Опыт Майкельсона дал отрицательный результат. (Опыт Майкельсона поводился с помощью интерферометра Майкельсона с равными плечами, одним – по движению Земли, другим – перпендикулярно к нему. Если эфир неподвижен, то при повороте прибора на 900 разность хода лучей должна менять знак и интерференционная картина – смещаться. Однако смещение интерференционной картины не было обнаружено).
Принцип относительности Галилея – все инерциальные системы отсчета равноправны; ход времени, масса, ускорение и силы в них записываются одинаково. Это означает:
абсолютный характер времени в механике Ньютона;
абсолютный характер массы во всех инерциальных системах отсчета;
абсолютный характер ускорения во всех инерциальных системах отсчета;
инвариантность (неизменность) силы относительно преобразований Галилея
Классический закон сложения скоростей (преобразования Галилея):
Скорость
тела относительно неподвижной системы
отсчета
равна
геометрической сумме скорости тела
относительно подвижной системы
и
скорости подвижной системы относительно
неподвижной
.
=
+
Единство пространства и времени как формы существования движущейся материи в современной научной картине мира
Главный вывод теории относительности Эйнштейна состоит в установлении того, что пространство и время существуют не сами по себе, в отрыве от материи, а находятся в такой универсальной взаимосвязи, в которой они теряют самостоятельность и выступают как стороны единого и многообразного целого. Общая теория относительности доказала, что течение времени и протяженность тел зависят от скорости движения этих тел и что структура или свойства четырехмерного континуума (пространство-время) изменяются в зависимости от скопления масс вещества и порождаемого ими поля тяготения.
Современное естествознание, опираясь на теорию относительности А. Эйнштейна, установило единство пространственно-временной (четырехмерное пространство) и причинно-следственной структуры мира, обнаружила относительность пространственно-временных характеристик тела и явлений. Согласно основной идее А. Эйнштейна тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство – время. Пространство воздействует на материю, «указывая» ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство, «указывая» ему, как искривляться.