Теория относительности

2.4 Теория относительности

В 1905 г. немецкий физик А. Эйнштейн, тогда еще служащий Швейцарского патентного бюро, опубликовал основные положения своей специальной теории относительности (СТО), которую развил в 1906 г. Теория относительности принципиально по-новому подошла к изучению природы: ее предметом является не абсолютное вещество, являющееся основой всего существующего, а взаимосвязи между различными наблюдаемыми явлениями - событиями. Событие – это нечто происходящее в определенной точке пространства и в определенный момент времени.

Событие характеризуется не тремя, а четырьмя координатами, образующими четырехмерное пространство-время, или в терминологии Эйнштейна, «пространственно-временной континуум».

Пространственно-временной континуум также постоянен для каждой системы, поэтому в нем чем больше длина движущегося тела относительно его длины в неподвижном состоянии, тем быстрее движется время в системе этого тела.

Основные положения СТО были получены на основании опыта, поставленного Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в 1887 г. для проверки гипотезы эфира, в котором якобы движется Земля и распространяется свет. Они сравнивали скорости света в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Согласно механике Ньютона они должны были быть разными для света, который распространяется в направлении, противоположном вращению Земли, и для света, который распространяется перпендикулярно ее вращению. Опыт показал, что обе скорости одинаковы, то есть ньютоновский принцип относительности нарушается. Кроме того, в названных опытах не был обнаружен эфир.

Из двух принципов — постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математически следуют все положения специальной теории относительности (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся. Она рассчитывается по формуле:

где l `- длина тела в движущейся системе со скоростью V по отношению к неподвижной системе; l - длина тела в покоящейся системе.

Эйнштейн проанализировал одно из основных для классической механики понятие одновременности и показал его относительность. В классической механике понятие одновременности имеет абсолютный смысл. Это значит, что два события, одновременные в одной инерциальной системе, одновременны также во всех других инерциальных системах, с какими бы постоянными скоростями они ни двигались относительно первой. В теории относительности Эйнштейна одновременность событий нарушается в некоторой системе, если наблюдатель находится в другой системе, и либо его система, либо наблюдаемая система движутся с околосветовой скоростью. В новой физике понятию абсолютной одновременности, а вместе с ним понятию абсолютного и равномерно текущего для всех инерциальных систем времени пришел конец. Время стало пониматься как относительная характеристика, зависящая от характера движения материальных систем. Это разрушало понятие абсолютного времени. А при условии отказа от понятия абсолютного времени оказывалось, что нет никакой надобности в эфире. (Чуть позже об этом сказал и известный французский физик Анри Пуанкаре). Оказалось проще представлять, что свет распространяется в пустом пространстве, что электромагнитные поля могут существовать в пустом пространстве. Теоретическая относительность пространства и времени была подтверждена экспериментально. В космических лучах в верхних слоях земной атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезоны (пионы). Собственное время жизни пионов – 10 -8 с. За это время они могут пройти не более 300 см, и не должны бы долетать до земли. Но приборы их регистрируют, то есть они пролетают 30 км, в 10 тыс. раз больше, чем для них возможно. Теория относительности объясняет этот факт тем, что в системе отсчета Земли (где его скорость стремиться к С) время жизни пиона намного больше, и за это время он может долететь до земли.

Из постоянства скорости света вытекают два следствия. Первое - закон эквивалентности массы и энергии (Е = mc², где Е - энергия, m - масса, с - скорость света). Философский смысл этого закона состоит в том, что нет непроходимой границы между двумя физическими характеристиками: массой (характеристикой вещества) и энергией (характеристикой движения), а, следовательно, и границы между веществом и движением: свойства вещества определяются скоростью его движения. То, что при одних скоростях существует как привычное нам вещество, при других скоростях может существовать иначе – как энергия.

Вторым следствием из постоянства скорости света является закон, по которому ничто не может двигаться быстрее света.

Специальная теория относительности объяснила постоянство скорости света для всех наблюдателей и позволила описать, что происходит при прямолинейном и равномерном движении со скоростями, близкими к световым при отсутствии силы тяготения. Пространство в ней понимается как псевдоевклидовое многообразие, в котором находятся физические поля. Но, благодаря И. Ньютону, мы знаем, что все массивные тела подвержены силе тяготения, а опыт говорит, что в природе больше распространено движение непрямолинейное и неравномерное. В случаях такого движения принцип относительности в его прежней формулировке оказывается несправедливым, ибо в движущейся ускоренной системе координат механические, оптические и электромагнитные явления протекают не так, как в инерциальных системах отсчета. Учитывая эти факты, чтобы описать такое движение позже в 1912 г. Эйнштейн создает общую теорию относительности, называемую также теорией тяготения (или гравитации).

В этой теории физические представления о пространстве, времени и материальных телах подверглись еще большему изменению, поскольку правильное описание этих физических явлений потребовало использования криволинейных координат в четырехмерном пространстве (четырехмерном пространственно-временном континууме Минковского). В основе ОТО лежит принцип эквивалентности – локальной неразличимости сил гравитации (тяготения) и сил инерции, возникающих при ускорении систем отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся независимо от массы или заряда, т.е. их траектория движения не зависит от собственных свойств движущегося тела, а определяется свойствами поля тяготения. Особенность сил тяготения заключается в том, что они всегда пропорциональны массе тела, на которое они действуют, и оказывают влияние на геометрию пространства-времени. Тяготение (или гравитация) порождается тяжелыми массами космических объектов. Они создают вокруг себя гравитационные поля, искривляющие вблизи них пространство и изменяющие течение времени. В соответствии с общей теорией относительности геометрия Евклида применима лишь к пустым пространствам, где нет тяжелых тел.

Таким образом, если в СТО четырехмерный пространственно-временной континуум является евклидовым (плоским), то в ОТО он является неевклидовым, т.е. обладает переменной кривизной. В этом случае определение тела в пространстве делается с помощью криволинейной системы координат. Поскольку под действием сил тяготения пространство, в котором располагаются тела, искривляется, то и сами тела изменяют свои размеры, и время течет в зависимости от величины этих сил.

От классической физики общую теорию относительности отличает отсутствие единого абсолютного пространства и времени. До создания общей теории относительности пространство и время выступали как место для событий, на которое все происходящее не влияет. В общей теории относительности пространство и время изменяются под влиянием происходящих процессов, и сами влияют на них. Оказалось, что говорить о пространстве и времени вне пределов Вселенной бессмысленно. Старые представления о вечной и почти не изменяющейся Вселенной сменились эволюционными представлениями об изменяющейся Вселенной, которая имела начало и, возможно, будет иметь конец. Идеи Эйнштейна оказали огромное влияние на развитие современной астрофизики. Благодаря его теориям, всю физику сегодня представляют как науку, занимающуюся нахождением относительных инвариантов в постоянно меняющихся движениях и точках отсчета, применяемых для наблюдения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Смена классического идеала научного познания неклассическим сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пытаясь построить картину объекта, не может отвлечься от процедуры измерения, т.е. исследователь оказывается не в состоянии измерять параметры изучаемого объекта такими, какими они были до процедуры измерения. В. Гейзенберг, Э. Шредингер и П. Дирак положили принцип неопределенности в основу квантовой теории, в рамках которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга импульса и координат. И хотя Эйнштейн не смог согласиться с этим, квантовая механика согласовывалась с экспериментом, а потому стала основой многих областей знания.

В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математическое время - это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов. По Эйнштейну, время относительно, абсолютного времени нет.

В классической механике пространство, время и материя не связаны друг с другом. В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Эйнштейн ввел временную координату.

Специальная теория относительности (1905) показала, что нет абсолютного пространства и абсолютного времени, все они относительны какой-либо системы отсчета.

В классической механике Ньютона взаимодействие определяется силой, с которой одно тело действует на другое, и при этом, по концепции дальнодействия, считается, что все действия тел друг на друга передаются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.

В теории относительности представления о мгновенном взаимодействии не соответствуют действительности. Никакое действие, никакая информация, никакие передвижения тел в пространстве не могут происходить со скоростью, превышающей скорость света (концепция близкодействия). Взаимодействия передаются посредством физических полей и с конечной скоростью.

Бурное развитие науки в ХХ веке снова изменило лицо науки, поэтому говорят, что наука со второй половины ХХ столетия становится другой, постнеклассической. Для постнеклассической науки и постнеклассического типа рациональности характерны: появление междисциплинарных и системных исследований, эволюционизм, использование статистических (вероятностных) методов, гуманитаризация и экологизация знания.

Список литературы

1. Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. М., 1999.

2. Бернал Д. Наука в истории общества. М., 1995.

3. Бунге М. Философия физики. М.,2003.

4. Жилин Д.М. Теория систем: Опыт построения курса. М., 2003; 2004.

5. Карнап Р. Философские основания физики: Введение в философию науки. М., 2003.

6. Кохановский В.П. Философия и методология науки. М.,1999.

7. Кочергин А.А., Кочергин А. Н. Концепции современного естествознания. Ч.1: Философия и методология науки. Кн. 1. М.: МАН Педобразования и МПИ ФСБ России, 2004.

8. Лебедев С.А. Философия науки. Словарь основных терминов. М., 2004.

9. Поппер К. Объективное знание. Эволюционный подход. М., 2002.

10. Флек Л. Возникновение и развитие научного факта. Введение в теорию стиля мышления и мыслительного коллектива. М., 1999.

11. Хайтун С.Д. Эволюция Вселенной // Журнал «Вопросы философии», 2004. № 10. С. 74-86.

12. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция в физике. М.,1966.