Пространство и время

после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности  и  квантовой

механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты  материи,

определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

    Современное  понимание пространства  и   времени  было  сформулировано  в

теории   относительности   А.   Эйнштейна,   по-новому    интерпретировавшей

реляционную концепцию  пространства и времени и давшей ей  естественнонаучное

обоснование. 
 
 

     Пространство и  время в теории относительности А.

                                 Эйнштейна.

 Специальная  теория относительности, созданная  в 1905 г. А.  Эйнштейном,

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,  но

без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей  движения она  сводится  к

классической  механике,  которая,  таким  образом,  оказывается  ее  частным

случаем”.[1]

    Исходным  пунктом этой теории стал принцип  относительности. Классический

принцип относительности  был сформулирован  еще  Г.  Галилеем:  “Если  законы

механики справедливы  в одной системе  координат,  то  они  справедливы  и  в

любой другой системе,  движущейся  прямолинейно  и  равномерно  относительно

первой”.[2] Такие  системы называются  инерциальными,  поскольку  движение  в

них подчиняется  закону инерции:  “Всякое тело сохраняет  состояние покоя  или

равномерного  прямолинейного движения, если только оно не вынуждено  изменить

его под влиянием движущихся сил”.[3]

    Из  принципа относительности следует,  что между  покоем  и  движением  -

если оно равномерно и прямолинейно -  нет  никакой  принципиальной  разницы.

Разница только в точке зрения. 

    Таким  образом, слово “относительно”  в  названии  принципа  Галилея   не

скрывает в  себе ничего особенного.  Оно  не  имеет  никакого  иного  смысла,

кроме того, который  мы вкладываем в движение о том, 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  понятие  покоя  и  движения   приобретают

смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

    Если  классический  принцип  относительности   утверждал  инвариантность

законов механики во всех инерциальных системах  отсчета,  то  в  специальной

теории относительности  данный принцип  был  распространен  также  на  законы

электродинамики, а общая теория  относительности  утверждала  инвариантность

законов  природы  в  любых  системах  отсчета,  как  инерциальных,   так   и

неинерциальных. Неинерциальными называются  системы  отсчета,  движущиеся  с

замедлением или  ускорением.

    В   соответствии  со  специальной   теорией   относительности,   которая

объединяет пространство и  время  в  единый  четырехмерный пространственно-

временной  континуум,  пространственно-временные  свойства  тел  зависят  от

скорости их движения. Пространственные  размеры  сокращаются  в  направлении

движения при  приближении скорости тел к скорости света в  вакууме  (300  000

км/с), 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 части 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 изменить.  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 отдаленное

будущее, минуя  промежуточное  время,  поскольку  ракета  вместе  с  экипажем

выпала из хода развития на Земле.

    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  течении  10-6  -  10-15  с (в

зависимости от типа частиц) и  после  своего  возникновения  распадаются  на

небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть  зарегистрировано

измерительными  устройствами  по  следам  пробегов  частиц.  Но  если  мезон

движется со скоростью, близкой к скорости света,  то  временные  процессы  в

нем замедляются, период распада увеличивается  (в  тысячи  и  десятки  тысяч

раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.

    Итак, специальная  теория  относительности   базируется  на  расширенном

принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно  новое

положение: скорость распространения света  (в  пустоте)  одинакова  во  всех

инерциальных  системах отсчета.

    Но  почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается  по

значению к  принципу относительности? Дело в том, что мы  здесь  сталкиваемся

со второй универсальной  физической константой. Скорость света  -  это  самая

большая  из  всех  скоростей  в  природе,  предельная  скорость   физических

взаимодействий. Движение света принципиально  отличается  от  движения  всех

других тел, скорость  которых  меньше  скорости  света.  Скорость  этих  тел

всегда  складывается  с  другими  скоростями.   В   этом   смысле   скорости

относительны: их величина зависит от  точки  зрения.  А  скорость  света  не

складывается  с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и  та  же,  и,

говоря о ней, нам не нужно указывать систему  отсчета.

    Абсолютность  скорости света не противоречит  принципу относительности  и

полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости  -  закон природы,  а

поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он  справедлив

во всех инерциальных системах отсчета.

    Скорость  света - это верхний предел  для скорости перемещения любых   тел

в природы, для  скорости распространения  любых  волн,  любых  сигналов.  Она

максимальна - это абсолютный рекорд скорости.

    “Для  всех  физических  процессов   скорость  света  обладает  свойством

бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную  скорости

света, требуется  бесконечное количество энергии, и  именно поэтому  физически

невозможно, чтобы  какое-нибудь тело достигло этой скорости.  Этот  результат

был  подтвержден   измерениями,   которые   проводились   над   электронами.

Кинетическая  энергия  точечной  массы  растет  быстрее,  нежели  квадрат  ее

скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости  света”[4].

Поэтому часто  говорят, что скорость света  -  предельная  скорость  передачи

информации. И  предельная скорость  любых  физических  взаимодействий,  да  и

вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

    Со  скорость  света  тесно  связано   решение  проблемы  одновременности,

которая тоже оказывается  относительной, то есть зависящей от  точки  зрения.

В  классической  механике,  которая  считала  время  абсолютным,  абсолютной

является и  одновременность.

    В  общей теории относительности  были раскрыты новые стороны   зависимости

пространственно-временных  отношений от материальных  процессов.  Эта  теория

подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну

пространства  и  отступление  его  метрики   от   евклидовой   с   действием

гравитационных  полей, создаваемых массами тел. Общая теория  относительности

исходит из  принципа  эквивалентности  инерционной  и  гравитационной  масс,

количественное  равенство  которых давно было  установлено в классической

физике. Кинематические эффекты,  возникающие  под  действием  гравитационных

сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием  ускорения.  Так,  если

ракета взлетает с ускорением 2g , то экипаж ракеты  будет  чувствовать  себя

так, как будто  он находится  в  удвоенном  поле  тяжести  Земли.  Именно  на

основе принципа эквивалентности масс был  обобщен  принцип  относительности,

утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы

в любых системах отсчета, как инерциальных, так и  неинерциальных.

    Как  можно представить себе искривление  пространства, о котором  говорит

общая теория относительности? Представим себе очень тонкий  лист  резины,  и

будем считать, что это -  модель  пространства.  Расположим  на  этом  листе

большие и маленькие  шарики - модели звезд. Эти шарики будут  прогибать  лист

резины тем  больше, чем  больше  масса  шарика.  Это  наглядно  демонстрирует

зависимость кривизны пространства от массы  тела  и  показывает  также,  что

привычная нам  евклидова геометрия в данном  случае  не  действует  (работают

геометрии Лобачевского и Римана).

    Теория  относительности установила не  только  искривление  пространства