7. Пространство и время. Теория относительности а.Эйнштейна.

Около десяти лет работал Эйнштейн над проблемой влияния скорости движения тел на электромагнитные явления. В результате он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галилея. Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями Галилея скрывается принципиально иное представление о пространстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип относительности является квинтэссенцией классической механики и поэтому должен быть сохранен. От концепции абсолютного пространства и времени, как не имеющих реального физического содержания, следовало отказаться. Так был сформулирован первый постулат специальной теории относительности – расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики. Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейн позаимствовал из электродинамики – это принцип постоянства скорости света в вакууме, примерно равной 300 000 км/с.Классический принцип относительности Галилея очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Поэтому путешественник в закрытой каюте спокойно плывущего корабля не замечает никаких признаков движения. Если на том же корабле подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Для нашего путешественника книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем. В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы бессмысленной тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем. Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение, что движение или покой – всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета. Эйнштейн развил классический принцип относительности и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим, действуя не только в механике, но и в электродинамике. Таким образом, электромагнитные явления стали описываться как инерциальные системы, инвариантные (неизменные) относительно постановки в них любых физических экспериментов. Иными словами, обобщенный принцип относительности утверждал, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится. Второй постулат специальной теории относительности говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света – самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира.(300 000км/с) Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения. Скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета. Более того, одновременное действие этих двух постулатов кажется невозможным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается к анализу проблемы одновременности, которая и составляет суть теории относительности. Классическая физика решала эту проблему очень просто в рамках концепции абсолютного времени, в соответствии с которой любые события во всех точках Вселенной совершались в рамках одной системы отсчета (абсолютного времени). Поэтому одновременность событий считалась реально существующим фактом. Эйнштейн первым попытался серьезно проанализировать проблему одновременности, использовав для этого мысленный эксперимент. Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, где находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Свойства пространства и времени

___Cвойства пространства и времени можно подразделить на универсальные (всеобщие) и специфичные (всеобщность которых находится под вопросом). ___К универсальным свойствам пространства и времени относятся: » их неразрывная связь друг с другом; • связь с движением материи; • бесконечность. Специфичными характеристиками рассматриваемых форм бытия материи являются: • трехмерность пространства и одномерность времени; • однородность и изотропность пространства и анизотропия времени; • непрерывность пространства и времени на макроуровне. ___Характеристика этих свойств пространства и времени как неуниверсальных не означает, однако, что где-то опытным путем найдены исключения. Но вся логика развития естествознания последнего столетия свидетельствует о том, что подобные открытия — не за горами. К примеру, существуют сильные подозрения, что на глубинных этажах микромира пространство и время прерывны. Полагают, что они, как излучение, «квантованы», т.е. складываются из мельчайших неделимых «порций». Прогнозируемый «квант» пространства может иметь размер порядка 10~33 см (планковская длина, демонстрирующая масштаб проявления квантовых свойств). Соотношение этой длины с размером ядра атома примерно того же порядка, что и соотношение размеров человека и диаметра нашей Галактики. Для времени аналогичная величина составляет 10 ~43 секунд. До реального проникновения в такие масштабы современной науке еще далеко. Но если эта гипотеза когда-либо подтвердится, то философы, наконец, вздохнут с облегчением: апории Зенона Элейского найдут в этом случае свое удовлетворительное разрешение. Конечный отрезок перестанет состоять из бесконечного количества частей. ___Немало сомнений у науки и по поводу универсальности пространства, насчитывающего только три измерения. Уже построено немало теоретических моделей многомерных пространств (в теории супергравитации, например, использованы 11 измерений пространствавремени, из которых 7 — скрытые). Практика же показывает, что то, что возможно чисто теоретически, рано или поздно обнаруживается и в реальности. ___А теоретически возможно многое. В модели «пульсирующей Вселенной» предполагается, что ныне наблюдаемое ее расширение после Большого взрыва в один прекрасный момент сме-нится сжатием. А в описывающих эту фазу ее эволюции математических уравнениях время меняет свой знак с положительного на отрицательный, т.е. как бы «течет вспять». Так что и однонаправленность времени от прошлого к будущему также не считается ныне универсальной характеристикой.