ПРОСТІР І ЧАС В СПЕЦІАЛЬНІЙ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

Відтепер простір саме по собі і час саме по собі звертаються в безтілесні тіні; збереже фізичний зміст лиш деяка форма їх об'єднання.

Мінковський

Системвідліку нескінченно багато, але серед них можна виділити клас так званих інерційних. У інерційних системах відліку всякі вільно рухомі об'єкти рухаються рівномірно і прямолінійно Інерційних систем відліку можна вибрати як завгодно, і все він буде відносно один одного рухатися за інерцією.

Немає критерію, завдяки якому можна було б віддати перевагу одну інерційну систему відліку інший, також інерціальній. Всі інерціальні системи відліку є фізично еквівалентними, і досвід пов підтверджує.

У класичній механіці був відомий принцип відносності Галілея: якщо закони механіки справедливі в одній системі координат, то вони справедливі і в будь-який інший системі координат, що рухається прямолінійно і рівномірно щодо першої, тобто в інерційних система координат. В іншому формулюванні він звучить так: ніякими дослідами проведеними в інерціальній системі відліку, не можна довести, покоітс система відліку або рухається рівномірно, прямолінійно. Все закон механіки в усіх інерційних системах відліку проявляються однаково У інерційних системах відліку простір і час носять абсолютні характер, тобто інтервал часу і розміри тіл не залежать від стану руху системи відліку.

На початку XX ст. з'ясувалося, що принцип відносності справедливий також в оптиці і електродинаміки, тобто в інших розділах фізики. Принцип відносності тепер звучав так: закони фізики мають одинакову форму у всіх інерційних системах відліку. Перехід від однієї інерції альної системи до іншої здійснювався відповідно до перетвореннями Галілея. Швидкість тіла відносно нерухомої системи відліку складається з швидкості тіла і швидкості системи відліку.

При узагальненні принципу відносності і поширенні його на електромагнітні процеси постулюється сталість скорост світла, тобто до швидкості світла не додається швидкість системи відліку Чим викликане таке особливе ставлення до світла і його швидкості як до еталон для вимірювання часу і простору? Це пов'язано з тим, що світло їсть електромагнітна хвиля, що є формою матерії. Світловий хвиль для поширення не потрібно спеціальної матеріальної середовища -В «ефіру» (як морським хвилям потрібна вода, звуку - повітря, вода або тверде тіло). Причому швидкість світла не залежить від руху джерела світло або спостерігача. Це твердження зазвичай називають принципом відносності. За словами А. Ейнштейна, теорія відносності начінаетс з двох положень:

  • 1. Швидкість світла у вакуумі однакова в усіх системах координат, що рухаються прямолінійно і рівномірно один щодо одного.
  • 2. Всі закони природи однакові в усіх системах координат, що рухаються прямолінійно і рівномірно один щодо одного.

Такі два основні принципи - принцип сталості швидкості світла і принцип відносності. Фактично принцип сталості швидкості світла є наслідком принципу відносності. Твердження про сталість швидкості світла у вакуумі, тобто незалежності швидкості світла від швидкості джерела і швидкості спостерігача, є природним висновком з багатьох експериментальних фактів і підтверджений численними експериментальними перевірками. Головним же його підтвердженням є відповідність з експериментом всіх висновків, які з нього випливають. Ці підтвердження дуже численні, потім що вся сучасна фізика високих швидкостей і високих енергій ґрунтується на постулаті сталості швидкості світла.

Проте в своїй абсолютній вигляді твердження про сталість швидкості світла є постулатом, тобто допущенням, що виходять за межі експериментальної перевірки. Це пов'язано з кінцевою точністю експериментальних перевірок, як це було пояснено вище в зв'язку з постулатів-ним характером принципу відносності.

А. Ейнштейн в 1905 р показав, що закон сталості поширення світла в порожнечі (300000 км / с) і принцип відносності сумісні Це положення становить основу спеціальної теорії відносності. Він зазначив, що класична механіка спиралася на дві нічо невиправдані гіпотези:

  • 1) проміжок часу між двома подіями не залежить від стану руху тіла відліку;
  • 2) просторове відстань між двома точками твердого тіл не залежить від стану руху тіла відліку.

Звідси випливало, що проміжок часу і відстані мають абсолютні значення, тобто не залежить від стану руху тіла відліку. І хоча ці припущення з точки зору здорового глузду здаються самі собою очевидними, проте вони не узгоджуються з результатами ретельно проведених експериментів, що підтверджують висновки нової, спеціальної теорії відносності.

Розглядаючи виникли суперечності в зв'язку з тим, що швидкість світла виступає як універсальна постійна природи, Ейнштейн запропонуй відмовитися від уявлення про абсолютність і незмінність свойст простору і часу. Даний висновок суперечить здоровому сенс і тому, що Кант називав умовами споглядання, оскільки ми не может уявити ніякого простору, крім тривимірного, і ніякого часу, крім одновимірного. Але наука зовсім не обов'язково повинна слідувати здоровому глузду і незмінним формам чуттєвості. Головний критерій для неї - відповідність теорії і експерименту. Теорія Ейнштейн задовольняла цим критерієм і була прийнята. Свого часу і уявлення про те, що Земля кругла і рухається навколо Сонця, теж Казалис суперечать здоровому глузду і спостереження, але саме вони виявилися справедливими.

Зі спеціальної теорії відносності випливає, що довжина тіла і тривалість відбуваються в ньому процесів не є абсолютними, а відносними величинами. При наближенні до швидкості світла нд процеси в системі сповільнюються, поздовжні (уздовж руху) розмір тіла скорочуються і події, одночасні для одного спостерігача, виявляються різночасними для іншого, що рухається щодо нього.

Якщо прийняти припущення класичної механіки про абсолютний характер відстаней і часу, то рівняння перетворення просторових координат і часу при переході від спочиває систем відліку О (х, г /, г, Ь) і рухається уздовж осі х щодо нього рівномірно прямолінійно зі швидкістю про система відліку 0 '(х у г ?') буду мати такий вигляд:

Скромна рівність I = Ь означало, що у всіх системах відліку час тече однаково, слова «зараз», «зараз» мають абсолютні значення (факт, який представлявся очевидним до початку XX століття). Ет рівняння часто називають перетвореннями Галілея. Якщо ж перетворення повинні задовольняти також вимогу сталості скорост світла, то вони описуються рівняннями Лоренца, названими по імен нідерландського фізика Хендріка Аптона Лоренца, і мають вигляд:

Тепер слід говорити не про систему координат, а про систему відліку, тобто про сукупність системи координат і годинника. Абсолютності часів більше немає, кожна система відліку характеризується своїм собственни часом. Вказуючи момент часу, треба вказувати також відповідну систему відліку. Все це явно проявляється лише при досить великих відносних швидкостях систем; якщо ж і « с, то, як легк бачити, перетворення Лоренца переходять в перетворення Галілея -спеціальна теорія відносності переходить в класичну механік як свій граничний випадок.

Ейнштейн відзначав, що нерухомий спостерігач сприймає проносяться повз нього кулясте тіло у вигляді сплюснутого еліпсоїда обертання. З точки зору спостерігача, що рухається разом з тілом зазначає Ейнштейн, воно, як і раніше, зберігає форму кулі, проте вс предмети, які не рухаються разом з цим спостерігачем, точно таким ж чином представляються йому укороченими в напрямку руху Цей результат виявляється не таким вже дивним , якщо врахувати, чт це висловлювання про розміри тіла, що рухається має дуже складні сенс, оскільки тепер розміри тіла можна визначити тільки за допомогою вимірювання часу. Простір і час розглядаються тепер у взаємозв'язку.

Спираючись на перетворення Лоренца, легко перевірити, що рухається тверда лінійка буде коротше спочиває і тим коротше, чим швидше вона рухається:

Якщо прийняти швидкість світла нескінченно великий, то при підстановці її в рівняння Лоренца останні переходять в рівняння Галілея. Але спеціальна теорія, як відомо, постулює сталість швидкості світла. Це постулат випливає з рівнянь електромагнітних процесів Максвелла Для узгодження з постулатів спеціальної теорії відносності класична механіка потребувала деякі зміни. Наприклад якщо в другому законі Ньютона (/ • '= та) маса т вважалася постійної то в теорії відносності вона залежить від швидкості руху і виражається формулою

Коли швидкість тіла наближається до швидкості світла, маса його необмежено зростає і в межі наближається до нескінченності. Тому відповідно до теорії відносності руху зі швидкістю, що перевищує скорост світла, неможливі. Рухи зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла, вперше вдалося спостерігати па прикладі електронів, а потім і други елементарних частинок. Ретельно поставлені експерименти з таким частками дійсно підтвердили передбачення теорії про збільшення їх маси зі зростанням швидкості.

У 1905 р А. Ейнштейн прийшов до висновку, що маса тіла є міра міститься в ньому енергії. Пізніше він формулює, наступний важливий висновок спеціальної теорії відносності: маса і енергія еквівалентні один одному - з'являється знаменита формула Ейнштейна, що зв'язує енергію і масу:

66

При досить великих швидкостях (в цьому випадку говорять про «релятивістської фізики») спеціальна теорія відносності призводить до загального виразу для енергії:

Через т 0 позначена маса спокою (маса тіла в системі відліку, пов'язаної з цим тілом), а Е - енергія тіла, що розглядається в системі, щодо якої тіло рухається зі швидкістю о.

До створення спеціальної теорії відносності закони збереження енергії і маси розглядалися як два самостійних закону збереження. Тепер же обидва ці закони злилися в один. За висловом Ейнштейна, маса повинна розглядатися як «зосередження колоссальног кількості енергії».

Таким чином, вплив спеціальної теорії відносності виходить далеко за межі тих проблем, з яких вона виникла. Вона знімає труднощі і протиріччя теорії поля, формує більш загальні механічно закони, замінює два закони збереження одним, а також змінює класично поняття абсолютного часу. Її цінність не обмежується лише сферо фізики - вона утворює загальний кістяк, що охоплює всі явища природи.

Однак експериментальні дані про сталість швидкості світла і виникає внаслідок такої відносність часу і простору призводять до парадоксів, для вирішення яких знадобилося введення принципово нових уявлень. Наприклад, одним з таких парадоксів є та званий парадокс близнят, розглянутий в практичному занятті.

В даний час відомо багато експериментальних підтверджень уповільнення часу. Уповільнення часу грає велику роль при роботі на сучасних прискорювачах, де часто доводиться спрямована частки від джерела їх отримання до далеко віддалені мішені, з якої частка взаємодіє. Якби не було ефекту уповільнення часу, то це було б неможливо, тому що час проходження ці відстаней часто в десятки і сотні разів більше власного часів життя часток в стані спокою. На користь цього говорять також спостереження над елементарними частинками, названими мю-мезонами, або мюонами. Середня тривалість існування таких частинок окол 2 мкс, але тим не менш деякі з них, які утворюються на висоті 10 км долітають до поверхні Землі. Як пояснити цей факт? Адже при середній «життя» в 2 мкс ці частинки можуть пройти шлях тільки 600 м. Нд справа в тому, що тривалість існування мюонів определяетс по-різному для різних систем відліку. З «їх» точки відліку вони живу 2 мкс, з нашої ж, земний - значно більше, так що деякі з них рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, досягають поверхні Землі. Уповільнення часу дорівнює

Експерименти, проведені французьким фізиком Арманом Фізо ще до відкриття теорії відносності за визначенням швидкості поширення світла в нерухомому рідини і рідини, протекающе з деякою швидкістю, також підтвердили висновки спеціальної теори відносності. За допомогою ретельних вимірів, багаторазово повторених різними дослідниками, було встановлено, що результат складання швидкостей відповідає перетворенню Лоренца.

Найбільш видатним підтвердженням цієї теорії був негативний результат досвіду американського фізика Альберта Майкельсона, зроблений для перевірки гіпотези про світловому ефірі. Згідно панувала в той час поглядам все світове простір заповнений ефіром - особливою речовиною, що є носієм світлових хвиль. Щоб виявити рух Землі відносно нерухомого ефіру, Майкельсо вирішив виміряти час проходження світлового променя по горизонтальному напрямку руху Землі і напряму, перпендикулярному до цього руху. Якщо ефір існує, то час проходження світлового промінь по горизонтальному і перпендикулярному напрямках має бути неоднаковим, але ніякої різниці Майкельсон не виявив.

Простір - це тривимірний континуум. Тривимірний - тому що положення точки визначається в просторі трьома числами (трьом просторовими координатами). Континуум означає безперервність -В близько будь-якої даної точки можна вказати скільки завгодно інших точок координати яких можуть бути як завгодно близькі до координата заданої точки. Відомо, що всі події відбуваються в просторів і в часі. Однак в класичній фізиці простір і час розглядалися як самостійні категорії; час було абсолютним, він не залежало від просторових координат події. Згідно ж спеціальної теорії відносності час не можна розглядати незалежний від простору, не має сенсу говорити «зараз», якщо не обговорений «де»; час і простір виявилися внутрішньо взаємопов'язаними. Розвиваючи ідеї, висловлені ще в 1905 р Пуанкаре, математик Г. Мінковський дав в 1908 р геометрично наочне уявлення спеціально теорії відносності, ввівши чотиривимірний просторово-часовий континуум (чотиривимірний світ Маньківського). Будь-яке фізично подія є деяка точка в чотиривимірному світі, вона определяетс чотирма числами - трьома координатами і часом. Події описуються як х 2 + у 2 + г 2 - з 2 ? 2 = 0. У такому разі перетворення Лоренц можуть розглядатися формально як чисто геометричне перетворення (поворот осей), що виконується, однак, не в звичайному тривимірному просторі, а в чотиривимірному континуумі. Як відзначав Ейнштейн, даж не математику повинно бути ясно, що завдяки цьому чисто формальному положенню теорія відносності надзвичайно виграла в наочно і стрункості.

Отже, простір і час - загальні форми координації матеріальних явищ, а не самостійно існуючі незалежно від матерії початку. Вони називаються в спеціальній теорії відносності чотиривимірним просторово-тимчасовим світом.

Знайдене Ейнштейном об'єднання принципу відносності Галілея з относительностью одночасності отримало назву принципу відносності Ейнштейна. Поняття відносності стало одні з основних понять в сучасному природознавстві.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >