Теория относительности А. Энштейна

Содержание

 

 

Введение

 

Мир вокруг нас - это совокупность различных физических и химических процессов, которые  постоянно протекают, обеспечивая каждое даже самое незаметное явление в природе.

Наверное, практически  каждый, даже далекий от физики человек  когда-нибудь задумывался, из чего же состоит  наша жизнь в ее физико-философском  измерении.

Вселенная ограничена пространством, жизнь в ней - временем. Издавна философы и естествоиспытатели связывали эти две основные категории космического бытия в одно простое и необъяснимое явление - жизнь.

Теории относительности  устанавливают возможность существования  различных базисов фундаментальных переменных времени и пространства и исследуют их отношения. Основным постулатом теории относительности является независимость основных законов движения материи от базиса описания, по исполнению которых нельзя установить, в каком из базисов описывается объект исследования. Поскольку фундаментальные переменные времени и пространства не являются абсолютными и рассматриваются как атрибуты движения материи, то в теориях относительности исследуют величины, которые можно считать инвариантами.

пространство время  
1. Категории пространства и времени

 

Пространство  и время представляют собой категории, предназначенные для описания свойств  физического мира.

Пространство  отражает такие свойства материальных объектов, как протяженность и  порядок взаимного расположения. Время отражает такие свойства процессов, как последовательность и длительность. Пространство и время бесконечны.

Говорить о  пространстве без наличия в нем  материальных объектов бессмысленно, точно так же, как бессмысленно говорить о времени в отсутствие каких-либо процессов. Каждое из этих понятий относительно, материя существует в пространстве (относительно пространства), процессы происходят во времени (относительно времени) ¹.

Для математического  описания временных отношений используют понятие мгновения. Мгновение - физически бесконечно короткий временной интервал или интервал, длительность которого много меньше длительности любых других процессов.

Произвольное  мгновение принимают за начало отсчета  и сопоставляют ему значение переменной t0 = 0. Любому другому мгновению в соответствии с показаниями часов можно сопоставить числовое значение tA, отражающее момент времени наступления некоторого события A, или временную координату на оси Ot².

Очевидно, что  эта величина относительна, поскольку  зависит от выбора начала отсчета. Независимой (инвариантной) характеристикой временных отношений по отношению к выбору начала отсчета является временной интервал Dt, равный длительности промежутка между мгновениями, отвечающими началу и концу какого-либо процесса, Dt = t2 - t1 > 0. Другими словами, длительность любого конкретного временного интервала, соответствующего событиям, происходящим при одинаковых условиях, не зависит от значения времени, фиксируемого по часам. Т.е. временной масштаб не изменяется и секунда всегда остается секундой независимо от абсолютного значения времени, фиксируемого с помощью часов³.

Промежутки  времени инвариантны по отношению  к выбору начала его отсчета. В  этом выражается важнейшее свойство времени - однородность.

Однородность  времени проявляется в неизменности физических законов по отношению ко времени проведения испытания. Опыт, поставленный в одинаковых условиях, в разные моменты времени дает одинаковые результаты.

Другим важным свойством времени является его  однородность. Это свойство проявляется в том, что для указания момента наступления какого-либо события или его длительности достаточно одного числа.

Ориентироваться в окружающем мире можно только относительно расположенных в нем предметов. Любые физические объекты находятся на некотором расстоянии друг от друга и занимают определенную область пространства. Типичным примером этого являются фотографии, на которых фиксируется взаимное расположение объектов относительно объектива камеры (наблюдателя).

Для задания  положения тела в пространстве используют физическую модель материальной точки. Материальной точкой (частицей) называется тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с другими характерными размерами⁴.

Поскольку пространственные координаты зависят от выбора начала отсчета, то они относительны. физический мир, а, следовательно, и пространство являются трехмерными, т.е. для задания положения материальной точки в пространстве необходимо указать три числа.

В большинстве  случаев для этого удобно использовать трехмерную Декартову систему координат (СК), имеющую три взаимно перпендикулярные пространственные оси.

Однородность  пространства проявляется в независимости  физических законов от положения  исследуемой системы в пространстве. Опыт, поставленный в одинаковых физических условиях, в разных местах дает одинаковые результаты.

Изотропность  пространства, в частности, проявляется  в том, что длина одного и того же отрезка не зависит от его ориентации в пространстве (выбора направления  осей координат). Изотропность пространства, в целом, проявляется в независимости физических законов от ориентации физической системы в пространстве⁵.

Инвариантность  пространственных и временных интервалов является отражением свойств симметрии  физического мира.

Для корректного  описания состояния физических объектов в пространстве и времени необходимо производить одноместное измерение временных и одновременное измерение пространственных интервалов.

Одноместное измерение  временных интервалов означает, что  снятие показаний часов должно производиться  в одной точке пространства, в которой начинается и заканчивается некий процесс. Операция одноместного измерения времени не вызывает проблем, если размером часов в любой точке пространства можно пренебречь. Если процесс начинается и заканчивается в разных точках пространства, то предварительно необходимо провести операцию синхронизации часов, расположенных в этих точках⁶.

Принципиальным  условием, без которого нельзя ввести понятие длины движущихся объектов, является необходимость предварительного согласования показаний часов или проведение операции синхронизации часов, находящихся в разных точках пространства, т.к. измерение времени в соответствии с рассматриваемым подходом нужно производить в тех точках, где располагается объект измерений (например, крайние точки стержня).

Проведение  операции синхронизации необходимо также для измерения временного интервала, соответствующего длительности событий, которые происходят в разных точках пространства.

Естественный  способ согласования - способ переноса - представляет собой процесс предварительной синхронизации показаний множества часов, сосредоточенных в одной точке пространства, с последующим их переносом по всему пространству. Этот вариант имеет существенный недостаток, поскольку приводит к разным результатам в зависимости от способа переноса, в частности, его скорости⁷.

Механическое  движения - это простейший вид движения, заключающегося в изменении положения  тел в пространстве с течением времени. Как мы уже показали, положение  частицы в пространстве относительно, т.к. определяется выбором начал отсчета пространственной и временной координаты. Следовательно, механическое движение зависит от этих начальных условий. Более того, положение тела в пространстве можно указать только относительно других тел. Невозможно найти физический способ задания положения тела в пустом пространстве. Т.о., для описания движения необходимо начало отсчета системы координат связать с каким-либо другим телом. Само движение исследуемых объектов будет происходить относительно этого тела.

Обусловленность вида механического движения выбором начальных условий является проявлением принципа относительности в механике.

Каждому событию, задающему положение частицы  в произвольный момент времени в  некоторой специальным образом  заданной системе координат, соответствуют два числа {xA, tA}, которые играют роль пространственно-временных координат этого события.

С течением времени  положение материальной точки в  пространстве изменяется. Это соответствует  изменению ее положения в мире событий. Ввиду непрерывности времени данная последовательность точек в мире событий также непрерывна и их можно соединить линией, которая называется мировой линией (МЛ).

График движения x = f (t), или мировая линия в двумерном  мире событий, представляет собой непрерывную  последовательность пространственно-временных координат частицы, отраженную на плоскости Xt⁸.

В наиболее простом  варианте движения частицы - одномерном движении с постоянной скоростью, график движения представляет собой прямую. Движение частицы всегда сопровождается возрастанием времени, что соответствует ее перемещению вдоль мировой линии в мире событий.

В природе существует целый ряд процессов, называемых обратимыми. Законы обратимого движения инвариантны по отношению к выбору направления хода времени, что является проявлением принципа симметрии (симметрии по отношению к отражению в точке, расположенной на оси времени).

Движение в  общем случае трехмерно. Для его  описания по аналогии с двумерным  миром событий вводят понятие  четырехмерного мира событий XYZt. Такое  представление, с одной стороны, адекватно описывает единые пространственно-временные отношения, а с другой - позволяет выявить истинные инварианты преобразований для системы отчета, движущихся с произвольными скоростями, в том числе близкими к скорости света.

В таком подходе к описанию движения имеется существенный недостаток. Четырехмерное пространство невозможно представить. Поэтому обычно рассматривают проекции мировых линий на пространственно-временные плоскости Xt, Yt, Zt и чисто пространственные плоскости XY, XZ, YZ. особенности анализа пространственно-временных отношений. Периодическое движение частицы, являющееся основой простейших часов, задается через понятие "пространственный интервал", который, в свою очередь, определяется через характеристики движения, задаваемые с помощью понятия "промежуток времени" (расстояние, на которое распространяется свет за определенное время). Это еще раз напоминает о том, что природа - единое многообразие пространственно - временных отношений. Это принципиальные отношения в мире событий XYZt⁹.

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных  свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые и неразрывно связаны с другими ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем. Из всеобщих свойств пространства и времени следует прежде всего отметить:

1. их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть);
2. их абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования;
3. неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей;
4. единство прерывности и непрерывности в их структуре - наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо "разрывов" в самом пространстве;
5. количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи - невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а так же неисчерпаемость их свойств¹⁰.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы. В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, а их нужно объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи - пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот.

Но все же пространство и время, наряду с общими характеристиками, имеют такие всеобщие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи. К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность - рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементов материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям, из них не могли бы образовываться никакие системы.
2. Связность и непрерывность

Таким образом, мы рассмотрели основные категории  и свойства пространственно-временных  отношений.

2. Эволюционная теория относительности

 

Рассмотрим  эволюционную теорию относительность  пространства и времени.

Теоретические исследования абстрактных систем, проводимые в рамках современной науки, позволили на основе функциональных законов систем сформировать уравнения системных мер пространства и времени. Основной принцип эволюционной относительности состоит в том, что системные меры пространства и времени уменьшаются с течением физического времени.

Эволюционная  относительность пространства и  времени принципиально отличается от специальной теории относительности  А. Эйнштейна не только скоростью  процессов, но и механизмом релятивистских эффектов, что проявляется в различии основных формул¹¹.

Все процессы и  явления описываются фундаментальными переменными времени и пространства, на языке которых формулируются  законы движения материи. Допускается  существование нескольких базисов  переменных времени и пространства, которые связаны между собой и различаются мерами. Один из базисов фундаментальных переменных условно выбирается в качестве основного, остальные определяются как производные. Зависимость производных базисов определяет их относительность, которая проявляется в зависимости мер. Для движения материи существуют некоторые главные характеристики, которые считаются постоянными (инвариантами) для каждого базиса. В качестве фундаментальных характеристик движения рассматриваются энергия и скорость. Энергия определяется как универсальная мера движения материи.