Тяготение и свойства пространства и времени в общей теории относительности доклад

Обновлено: 04.05.2024

Важнейшей задачей современного естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Выделение и фиксация во времени части пространства дает состояние объекта. Упорядоченная последовательность состояний объекта составляет процесс его развития (жизни, существования) во времени.

Содержание

Введение
1 Развитие представлений о пространстве и времени
2 История создания общей теории относительности
3 Технология продвижения и стимулирования сбыта турпродукта
4. Общие свойства пространства и времени
Заключение

Работа содержит 1 файл

пространство и время в ТО реферат КСЕ.doc

1 Развитие представлений о пространстве и времени

2 История создания общей теории относительности

3 Технология продвижения и стимулирования сбыта турпродукта

4. Общие свойства пространства и времени

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи со свойствами движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время — как геометрический параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток механистической картины мира состоит в том, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления.

Развитие представлений о прост ранстве и времени

Пространство и время являются основными категориями в физике, т.к. большинство физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В то же время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную историю, важное место занимают как в учениях Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции.

В современной науке широко используется понятие евклидового пространства как плоского пространства трех измерений. Систематическое изучение пространства и пространственных фигур греками было подчинено главной цели — исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы.

В эпоху Возрождения достигается осознание взаимосвязи между механикой и геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к представлению о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении возникновения физики как стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходных понятий науки.

До теории относительности в физике было две прекрасно работающих по отдельности области: механика Ньютона, миллионы раз проверенная экспериментом, и электродинамика, сравнительно молодая, но уже крепко стоящая на ногах наука, описывающая в том числе распространение электромагнитных волн. Распространение волн описывалось уравнениями Максвелла, которые тоже были многократно проверены экспериментом и сомнений не вызывали. Тогда уже было известно, что свет — это тоже электромагнитная волна, и, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Но каждый раз, попытки измерить скорость в динамичной системе заканчивались провалом. Исходя из постулатов теории Ньютона - скорость света и скорость источника света необходимо было суммировать, но уравнения Максвелла не позволяли создать такую математическую модель, а попытки их доработать, чтобы подстроить под такую ситуацию, заканчивались крахом. Например: если лететь за светом со скоростью равной скорости света — то этот свет по уравнениям Максвелла исчезал.

XIX век был веком механики, вследствие чего все явления стремились описать при помощи механических моделей.

Введение же абсолютного времени, то есть времени, не зависящего от движения, основывается на постулате о мгновенном распространении взаимодействий в пустоте, что явилось основой построения Ньютоном теории тяготения.

Механика Ньютона, развитая в работах Д'Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Гамильтона, Якоби и др., получает стройную завершенную форму, построенную на принципах, определяющих научную картину мира того времени, называемую механистической научной картиной мира.

Представления об иерархическом строении вещества и о себетождественности физического объекта сформировали механистическую концепцию части и целого в ньютоновской физике, в основе которой лежат принцип редукционизма и элементаризма.

Заложенная Ньютоном в основания его физики идеология адекватно служила целям науки на протяжении длительного периода вплоть до начала двадцатого столетия. Пространство и время в его теории играют роль строительного каркаса, поддерживающего все стройное здание классической физики. Принятие Ньютоном пустоты формирует концептуальные основания физической науки.

Классическая теория тяготения Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с понятием поля в современной физике. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.

Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

Пространство и время в теории относительности А.Эйнштейна

В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмотреть прежние представления классической механики о пространстве и времени. Прежде всего, он отказался от ньютоновского понятия абсолютного пространства и времени, а также от определения движения тела относительно абсолютного пространства.

Первую математическую систему (теорию) строения мира — Вселенной, объясняющую движение планет (звезды казались неподвижными), как уже упоминалось в п. 2.1, создал греческий астроном, математик и философ Евдокс Книдский (400-347 гг. до н. э.). Уместно также напомнить, что представление о равномерном круговом движении небесных тел (планет), самом совершенном из всех возможных движений, как тогда считалось, поддерживали величайшие мыслители античности Платон и Аристотель. Почти две тысячи лет, со II в. н. э., в античной и средневековой науке просуществовала геоцентрическая модель мира Птолемея, основанная на идеях Евдокса, Каллипа, Платона, Аристотеля, Эратосфена, Аполлония Пергского и Гиппарха. Но два ключевых концептуальных положения этой картины были ошибочными — первое, Евдокса, что Земля занимает центральное положение среди известных небесных тел, и второе, Аристотеля, о том, что тела свободно падают тем быстрее, чем больше их вес. О том, что причина этому явлению -тяготение, никто тогда из мыслителей не знал, не говорил и так не думал. Первое положение основывалось на предубеждении об исключительном положении Земли в мироздании, второе — на убеждении в непререкаемую правоту Аристотеля; каждое положение казалось незыблемым, но по прошествии многих веков, они были все-таки опровергнуты, что лишний раз подтверждает тезис Карла Поп-пера о прогрессе науки в результате исключения фальшивых гипотез. В ошибочности идеи Аристотеля о характере падения тел первым аргументированно стал сомневаться грек Иоанн Филопон из Александрии в VI в., позднее — англичанин Томас Брадвардин (ок. 1290-1349) из Оксфорда, француз Жан Буридан (ок. 1300-1360). Окончательно эту идею опроверг Галилей, осуществив первый в истории науки эксперимент, наблюдая падение различных тел с Пизанской башни.

В этом состояло и состоит своеобразное завещание Ньютона и своим современникам и последующим поколениям потомков, в данном случае нам. Пока мы эту задачу в полной мере не решили, но определенные достижения, благодаря великим математикам Николаю Лобачевскому (1793-1860), Бернхарду Риману (1826-1886) и физику Альберту Эйнштейну, имеем.

О неевклидовых геометриях Лобачевского и Римана. Во все предыдущие века математики и физики углубленно размышляли над проблемой геометрии физического пространства и связи его с природой физических явлений. На протяжении более чем двух тысяч лет в науке, прежде всего в математике, господствовала геометрия Евклида (? ок. 330 - ? ок. 272), и, одновременно, она же первая теория физического пространства. Но одна из аксиом геометрии Евклида — аксиома о параллельных прямых, она же трактуется также как V (пятый) постулат Евклида, беспокоила многих математиков своей, в отличие от других аксиом, сложностью формулировки.

Начиная с античных времен, многие математики делали тщетные попытки доказать или опровергнуть аксиому о параллельных прямых. Наиболее выдающимся среди математиков, размышлявшим над этой проблемой, был Карл Фридрих Гаусс (1777-1855). В 1813 году Гаусс разрабатывал свой вариант неевклидовой геометрии, но так и не опубликовал ни одной работы, связанной с разрешением этой проблемы, хотя, как отмечают историки математики, ответ он знал, но парадоксальностью этого ответа боялся подорвать свой авторитет великого математика. Слава создателя неевклидовой геометрии принадлежит великому русскому математику Николаю Лобачевскому. Венгерский математик Янош Больяи (1802-1860) разработал свои идеи по неевклидовой геометрии независимо от Лобачевского и несколько позднее.

Лобачевский первым доказал в 1826 г., что аксиома Евклида о параллельных прямых не может быть непротиворечиво согласована с остальными аксиомами евклидовой геометрии, так называемыми аксиомами сочетания, порядка, движения и непрерывности.

Отвергнув аксиому Евклида о параллельных прямых, Лобачевский ввел свою аксиому параллельности, в которой допустил, что через точку, лежащую вне заданной прямой, можно провести не одну, а по крайней мере две (в принципе бесконечное количество) прямых, не пересекающих данную прямую. Это бесконечное множество прямых линий, проходящих через эту точку, ограничено двумя прямыми, которые и считаются параллельными данной прямой. На основе этого допущения Лобачевский построил неевклидовую геометрию, в которой много необычных с точки зрения приверженцев геометрии Евклида выводов. Так, например, математики Ф. Клейн и А. Пуанкаре показали, что за плоскость Лобачевского может быть принята внутренность круга, а за пространство -внутренность шара, тогда как еще несколько раньше, в 1876 г., итальянский математик Э. Бельтрами показал, что геометрии Лобачевского соответствует псевдосфера. Прямыми, согласно Пуанкаре, в этих моделях считаются дуги окружностей, перпендикулярные окружности данного круга. Модель Пуанкаре замечательна тем, что в ней углы Лобачевского изображаются обычными углами. Аналитическое определение геометрии Лобачевского состоит в том, что это есть геометрия пространства постоянной отрицательной кривизны (типа поверхности седла, устанавливаемого на круп лошади). Как следствие этого, сумма углов треугольника в геометрии Лобачевского всегда меньше 180° и стремится к 180° с уменьшением площади треугольника (т. е. сумма углов треугольника в геометрии Лобачевского пропорциональна площади треугольника!). В этой геометрии нет подобных и неконгруэнтных (неравных) треугольников; треугольники равны, если их углы равны, и т. д.

Образ пространства Лобачевского можно условно выразить, представив себе гору неограниченной высоты с идеальными склонами по всей долготе и с гладкой вершиной. С этой вершины тело может соскользнуть вниз по бесконечному числу путей, и ни один из этих путей не пересечется, так что мы имеем в этом случае бесконечное число параллельных (непересекающихся) линий движения.

Одно из важнейших следствий неевклидовой геометрии Лобачевского состоит также в том, что она способна описывать свойства физического пространства ничуть не в меньшей, если не в большей мере, и, возможно, даже более точно, чем евклидова геометрия. Например, много позднее в теории тяготения было показано, что если считать распределение масс во Вселенной равномерным, то физическое пространство такой Вселенной имеет геометрию Лобачевского, Необходимость и достаточность евклидовой геометрии как геометрии физического пространства ниоткуда не следует и никем никогда не была доказана; истинность той или иной геометрии может быть установлена только опытным путем (это ясно понимал сам Лобачевский, стремясь найти эмпирические основания своей геометрии).

Риман, в результате продолжительных поисков адекватного описания свойств физического пространства, пришел к мысли, что описание пространства должно быть локальным (от лат. localis — местный), ибо свойства пространства могут изменяться от точки к точке (от места к месту). Квадрат расстояния ds между двумя бесконечно-близкими точками в пространстве (в котором введена система координат x1, х2, х3) может быть представлен в виде некоторой двойной суммы по индексам i и к = 1, 2, 3:

где — так называемый метрический тензор, по сути, это некоторая квадратная таблица, ее называют матрица, состоящая в данном случае из 9 = 3 х 3 компонентов (элементов), каждый из которых есть определенная функция пространственных координат x₁х₂ х₃.

Таким образом, компоненты метрического тензора характеризуют локальные (местные) свойства пространства. В принципе, вышеприведенная формула есть не что иное, как обобщение на трехмерный случай известной всем теоремы Пифагора, справедливой в своей знакомой форме в евклидовой геометрии в виде: В этом частном случае компоненты матрицы метрического тензора равны 0 и 1. Единицы расположены на диагонали матрицы (число этих компонентов матрицы — 3), 0 расположены вне диагонали, и число их равно 6.

В любой геометрии существенное положение занимает вопрос о прямых или кратчайших линиях, соединяющих какие-либо две точки пространства. Так вот, в римановой геометрии, являющейся в простейшем случае геометрией двумерной сферы в трехмерном евклидовом пространстве, с отождествленными диаметрально противоположными точками, прямыми являются большие круги сферы. В результате любые две прямые пересекаются, плоскость не разделяет пространства, само пространство имеет положительную постоянную кривизну (у Лобачевского — постоянную отрицательную) и т. д.

Риман высказал гениальное предположение, что свойства физического пространства должны зависеть от происходящих в нем физических явлений. В дальнейшем эту идею Римана поддержал ирландский математик Уильям Клиффорд (1854-1879). Клиффорд высказал частное предположение, что гравитационные эффекты, возможно, обусловлены кривизной пространства. Гипотезы Римана и Клиффорда дождались своего часа только в XX веке, с появлением общей теории относительности Эйнштейна. Что же предопределило, в конечном итоге, необходимость в новой теории пространства и тяготения?

Принцип эквивалентности Эйнштейна. 10 лет упорной работы (с 1905 по 1915 гг.) понадобилось Эйнштейну, чтобы появилось одно из самых выдающихся научных творений человечества — общая теория относительности (ОТО) или теория тяготения Эйнштейна, которая связала тяготение и массу (как физические явления) с геометрией пространства и времени, обусловила их совместное сосуществование.

Краеугольный камень теории был заложен в 1907 г., когда Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности инертной и тяготеющей масс. Принцип этот есть дальнейшее современное развитие утверждения Галилея (ничто в науке не делается без предшественников!) о том, что в гравитационном поле все тела независимо от их массы приобретают одинаковые ускорения (но не так, как полагал об этом Аристотель). В мысленном эксперименте Эйнштейн обратил внимание, что наблюдатель, находящийся в закрытой (без окон) кабине, не в состоянии отличить влияние тяготения от эффектов ускоренного движения. В неподвижной кабине на Земле и в ней же, движущейся в свободном космическом пространстве, например, в ракете, с ускорением, равным земному ускорению падения, все предметы совершенно одинаково ускоряются по направлению к полу кабины. Значит, эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимые Почему? С чем связывать природу такой неразличимости, тождественности?

Представим, и это есть второй мысленный эксперимент Эйнштейна, что мы находимся теперь в закрытом (снова без окон) лифте. Если трос лифта вдруг оборвется, то и сам лифт, и все предметы в нем, и наблюдатель, в том числе, начнут свободно и все с одинаковым ускорением падать под действием поля тяготения Земли. Наблюдатель не будет в этом случае чувствовать давления на пол лифта, т. е. не будет чувствовать своего веса, испытывая ощущение невесомости. Никакие эксперименты, проводимые в лифте, не позволят наблюдателю определить, падает ли он вместе с лифтом или свободно парит в космическом пространстве вдали от поля тяготения Земли (здесь мы имеем дело с обобщением принципа относительности на ускоренные системы). Из этого эксперимента Эйнштейн установил эквивалентность тяготения ускоренно движущимся системам отсчета — эффекты тяготения можно создавать или устранять, выбирая подходящие системы отсчета. В таком падающем лифте справедливы законы механики, а это значит, что ускоренные тела представляют собой локальные инерциальные системы отсчета (локальными считаются как ограниченный в размерах лифт, так и его ограниченное местоположение в пространстве). Тем самым Эйнштейн распространил концепцию инерциальной системы на все свободно падающие системы отсчета и отказался от их отождествления с абсолютным ньютоновым пространством (вот здесь-то и не понадобились пространства неевклидовых геометрий). Кроме того, Эйнштейн уточнил концепцию локальной системы и принципа эквивалентности, полагая, что они справедливы только в достаточно малых областях пространства, где силу тяжести можно считать постоянной (как это имеет место вблизи поверхности Земли).

Следствия принципа эквивалентности: отклонение лучей света и красное смещение. Возможны поразительные наблюдаемые следствия мысленных экспериментов Эйнштейна, составляющие концептуальные основы современных представлений о пространстве, времени и тяготении.

Если эффекты тяготения и ускоренного движения неразличимы, то лучи света должны отклоняться гравитационным полем, а свет, испускаемый тяготеющей массой (звездой), должен испытывать так называемое красное смещение, свет же, падающий на тяготеющую массу, будет испытывать фиолетовое смещение. Снова мысленно вернемся в падающий лифт. Поскольку в нем действует невесомость, т. е. нет проявления сил, то любое движение, согласно принципу Галилея, сохраняет в нем свое состояние, например, полет горизонтально брошенного поперек падения тела совершается горизонтально (прямолинейно). Это же справедливо и по отношению к лучу света. Однако наблюдается другая траектория полета луча, искривленная, как у снаряда, выпущенного из пушки, если смотреть на это извне. Действительно, любой объект с точки зрения внешнего наблюдателя участвует сразу в двух движениях: в горизонтальном и вертикальном, что ведет, как впервые еще установил Галилей, к параболической траектории. Как бы не было мало отклонение светового луча из-за колоссальной скорости его распространения, принципиально оно должно быть, и причина тому — принцип эквивалентности. Таким образом, лучи света, проходя вблизи массивных тел (звезд, Солнца), должны отклоняться от первоначального направления распространения.

Сформулируем широко известный ряд основных выводов ОТО:

1. Свойства пространства-времени зависят от материи.

2. Лучи света должны представлять собой в общем случае не прямые линии, а кривые. Искривление лучей света должно быть сильнее вблизи тел с большей массой.

3. Частота света, испущенного неким источником (звездой), должна изменяться от точки к точке в пространстве. В частности, линии солнечного спектра под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного света, по сравнению со спектрами соответствующих химических элементов на Земле.

Сформулированные выше выводы теории тяготения можно получить качественно на основе следующего, предлагаемого нами мысленного эксперимента. Представим себе плоское (евклидово) пространство. Внесем в него материальное тело, которое своим присутствием непременно должно привести к искажению единственного свойства этого евклидова пространства быть плоским, и этим тоже единственным искажением может быть только его искривление. Следовательно, в таком искривленном пространстве исчезает, как таковое, движение по евклидовым прямым, образом которого (образом прямой линии) является движение луча света. Тогда получаем, что луч света уже никогда не распространяется по прямой, а только по искривленной линии. Впрочем, и любое тело теперь уже не движется по прямой линии, а только по кривой. Более того, ни одна линия в таком случае не может быть замкнутой в евклидовом смысле, так что, например, ни одна планета не возвращается в исходную точку своей траектории. Далее, ни одно периодическое движение (того же света, электромагнитной волны другой частоты) не сохраняет своей периодичности (частоты) при распространении в искривленном поле тяготения. Сами же, и реальное пространство и реальное время как физические явления (именно как явления, данные нам в восприятиях), появляются только тогда, когда в эталонном евклидовом, математически мыслимом пространстве появляется первое материальное тело. Отсюда важнейший вывод — физическое пространство и физическое время создается материей и без нее не существует как данность. Но также, и это следующий важнейший вывод предлагаемого мысленного эксперимента, не имеет место (не выполняется) принцип обратимости движения (и времени), ибо никакое движение в искривленном пространстве (поле тяготения) себя полностью никогда не повторяет. В природе, таким образом, господствует принцип необратимости движения и времени, и это одно из самых фундаментальных следствий искривления пространства и времени, имеющее глубочайшее общенаучное и философское значение.

Еще один важный вывод ОТО заключался в том, что орбитами планет солнечной системы являются не эллипсы, (согласно 1-му закону Кеплера), а более сложные кривые, получаемые наложением двух движений — по эллипсу и вращением, поворотом эллипса целиком. Это явление прецессии перигелия планет особенно заметным должно быть у Меркурия, но даже у Меркурия (ближайшей к Солнцу планеты) эллипс поворачивается на 43 угловые секунды за сто лет. Тем не менее этот эффект надежно наблюдался астрономами давно и никак не находил объяснения. Смещение перигелия Меркурия не имеет объяснения никакой иной теорией, кроме как общей теорией относительности. Это тоже настоящий триумф общей теории относительности.

Итак, три вывода общей теории относительности -искривление лучей света, гравитационное красное смещение и поворот перигелия Меркурия были экспериментально подтверждены. Но в пределах Земли и солнечной системы все эти эффекты имеют микроскопические значения, чуть-чуть отличаясь от предсказаний ньютоновой механики. Но совершенно иная картина великого значения ОТО предстает при рассмотрении объектов Вселенной в космологических масштабах, объектов с чудовищно большими массами. Этому будет посвящена глава 6.

Резюме

1) Первой теорией физического пространства, плоского и не искривленного, является геометрия Евклида.

2) В 1915 году А. Эйнштейном создана общая теория относительности — логически очень стройная теория, объединяющая пространство-время и материю с учетом только одного (одного из четырех известных) — гравитационного взаимодействия.

3) Три знаменитых вывода ОТО (искривление световых лучей, гравитационное красное смещение и смещение перигелия Меркурия) получили экспериментальное подтверждение.

Вопросы для обсуждения

1) Обсудите эквивалентность гравитационной и инерционной масс тела.

Сам Эйнштейн полагал, что именно принцип эквивалентности является наиважнейшим при создании ОТО (наряду с постулатами СТО).

2) Проанализируйте важнейшие эксперименты, подтверждающие ОТО.

а) Искривление световых лучей вблизи массивного тела, на пример, Солнца, можно зафиксировать в момент солнечного затмения.

в) Мизерное смещение перигелия Меркурия предсказано только общей теорией относительности, и ее количественное предсказание совпадает с астрономическими наблюдениями.

Возникновение общей теории относительности связано с острыми противоречиями между основными положениями классической науки и новым экспериментальным материалом.

Проблемами, над которыми работал Эйнштейн, занимались и другие крупные физики, такие как Лоренц, Пуанкаре и другие.

Процесс перехода к общей теории относительности от классической механики выглядит следующим образом:

на теоретическом уровне – переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству и времени
на эмпирическом уровне – это переход от относительных пространства и времени, предложенных Ньютоном, к реляционному пространству и времени.

Однако при попытке Эйнштейна расширения концепции относительности на класс явлений, которые происходят в инерциальных системах отсчета, возникла новая теория гравитации, стала развиваться реляционная космология и т.д.

Поэтому Эйнштейну пришлось использовать другой метод построения физических теорий, в которых теоретический аспект выступает в качестве первичного. Новая теория, получившая название общей теории относительности, формировалась путем построения обобщенного времени и пространства.

Одной из причин, побудившей к созданию общей теории относительности, является желание избежать необходимости введения в физику инерциальной системы отсчета. Процесс создания новой теории начался с пересмотра существовавшей концепции пространства и времени в доктрине Максвелла-Фарадея и специальной теории относительности.

В специальной теории относительности не затрагивается проблема воздействия материи на структуру времени и пространства, а Эйнштейн в общей теории обратился к взаимосвязи материи, пространства, времени и движения.

Эйнштейн опирался на факт о равенстве тяжелой и инертной масс. Этот пункт он рассматривал в качестве исходного, на основе которого можно объяснить гравитацию. После анализа опыта Этвеша, Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности. Согласно этому принципу, невозможно отличить физически действие однородного гравитационного поля и поля, которое порождено равноускоренным движением.

Готовые работы на аналогичную тему

Принцип эквивалентности

Принцип эквивалентности имеет локальный характер и не входит в общую теорию относительности. Благодаря этому принципу были сформулированы основные принципы, которые являются фундаментом новой теории – предположения о геометрической природе гравитации, о связи пространства, времени и материи. Кроме того, Эйнштейном были выдвинуты несколько математических гипотез, без которых было бы невозможно выведение гравитационных уравнений. Согласно этим гипотезам, пространство является четырехмерным, структура пространства определяется симметричным метрическим тензором, уравнения относительно группы преобразований координат должны быть инвариантными.

Актуальной проблемой для общей теории относительности и в настоящее время является проблема перехода от теоретических предположений к величинам, которые можно наблюдать физически.

Общая теория относительности предсказала и дала объяснение трем общерелятивистским эффектам:

вычислены конкретные значения смещения перигелия Меркурия
обнаружено отклонение световых лучей звезд во время прохождения их вблизи Солнца
обнаружен эффект красного смещения линий спектра.

Представления о пространстве и времени в современной науке

Из общей теории относительности вытекает два направления:

геометризация гравитации
релятивистская космология.

С этими направлениями связано последующее развитие представлений о пространстве и времени в современной физической науке.

Представления о Вселенной до Эйнштейна выглядели следующим образом. Вселенная представлялась бесконечной и однородной в пространстве и являлась стационарной во времени. эти представления появились из механики Ньютона. Пространство и время представлялись абсолютными. Эта модель представлялась единственной и гармонично. Однако при попытке приложить к этой модели законов и концепций физики привели к противоречивым выводам. Классическая космология, для того, чтобы преодолеть противоречия, требовала пересмотра ряда фундаментальных положений:

стационарность Вселенной
однородность пространства
изотропность пространства
евклидовость пространства.

Однако преодоление противоречия в рамках классической космологии не удалось.

Модель Вселенной, следовавшая из общей теории относительности, была связана с пересмотром всех фундаментальных положений, на которых основывалась классическая космология.

В общей теории относительности была отождествлена гравитация и искривление четырехмерного пространства и времени. Для построения работающей модели пришлось ограничить всеобщую ревизию положений классической космологии. Общая теория относительности была дополнена постулатом однородности и изотропности Вселенной из классической космологии.

Строгое следование принципу изотропности Вселенной приводит к признанию однородности. На основании этого принципа в релятивистскую космологию было введено понятие мирового времени и пространства. Однако, это пространство и время не абсолютные пространство и время Ньютона, которые, несмотря на однородность и изотропность, имели нулевую кривизну. Применяя условия однородности и изотропности к неевклидову пространству, возникает постоянство кривизны, и в этом случае становятся возможными три модификации этого пространства: с положительной кривизной, отрицательной кривизной и нулевой кривизной. Вывод о возможности времени и пространства иметь различные значения кривизны привели к возникновению вопроса о конечности и бесконечности Вселенной. Такого вопроса в классической космологии не существовало, так как бесконечность пространства и времени обусловливалась евклидовым пространством.

Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 году Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она основывается на двух принципах: постоянства скорости света в пустоте и относительности. Согласно первому принципу или постулату, скорость света в пустоте является предельной скоростью физических взаимодействий, она постоянна и составляет 300000 км/с. Постулат относительности утверждает, что законы электромагнитных явлений инвариантны, независимы от равномерного и прямолинейного движения систем. На основе этих принципов Эйнштейн разработал теорию физического пространства и времени, в которой последние оказываются зависимыми от движения физических тел: по мере приближения скорости движения тел к скорости света протяженность тел сокращается, а время течет медленнее. Используя формулы Лоренца, эту зависимость можно представить следующим образом:

где l – длина тела в движущейся системе со скоростью ; l₀ – длина тела в покоящейся системе.

где t – время движущегося тела; t₀ – время покоящегося тела; с – скорость света.

Эффекты специальной теории относительности обнаруживаются при скоростях, близких к световым. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в два раза с точки зрения наблюдения на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как была при отлете. Время же - необратимо. Отсюда известный парадокс близнецов. После путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей близко к скорости света, он с удивлением увидит, что его брат стал старше его. Можно даже рассчитать такой полет. Представим себе, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет. Но согласно формулам СТО по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50 – летний сын будет приветствовать 26 – летнего отца.

Релятивистское замедление является экспериментальным фактом. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые p–мезонами или пионами. Собственное время жизни пионов – 10 -8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью почти равной скорости света, они могут пройти не больше, чем 300 см. Но приборы их регистрируют на поверхности Земли, то есть они проходят путь, равный 30 км или в 10000 раз больше, чем это возможно. Теория относительности так объясняет этот факт: 10 -8 сек. является естественным временем жизни мезона, измеренным по часам, движущимся вместе с мезоном, то есть покоящемся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше и за это время частицы в состоянии пройти земную атмосферу.

Представления СТО оказались в противоречии с представлениями классической механики. Из основных положений этой теории вытекало, что одновременность различных событий носят не абсолютный, а относительный характер. В классической физике абсолютный характер одновременности был связан с представлением о возможности мгновенной передачи физических взаимодействий в любую точку пространства. Эйнштейновское определение одновременности базируется на представлении о конечной скорости распространения любых материальных сигналов. Отсюда следует, что события, одновременные в одной движущейся материальной системе, могут оказаться неодновременными в другой системе, может даже изменится сам порядок их следования. Таким образом, можно говорить о собственном времени каждой системы отсчета. Универсальное абсолютное ньютоновское время должно уступить место бесконечным собственным временам различных инерциальных систем.

В ОТО Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерциальных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Общая теория относительности заменяет закон тяготения Ньютона новым уравнением тяготения. Закон Ньютона получается как предельный случай эйнштейновских уравнений. Рассчитанное теоретически Эйнштейном отклонение луча света было впоследствии экспериментально подтверждено во время солнечного затмения, когда луч света от звезды проходит вблизи поля тяготения Солнца.

Общая теория относительности показала зависимость геометрии от физики, зависимость геометрических свойств пространства и времени от физических свойств материи. На основании ОТО возникла релятивистская космология в которой выдвинут ряд современных моделей Вселенной.

где l – длина тела в движущейся системе со скоростью ; l₀ – длина тела в покоящейся системе.

где t – время движущегося тела; t₀ – время покоящегося тела; с – скорость света.

Читайте также: