противостояла релятивистская. Согласно этой концепции пространство и время
- не самостоятельные сущности, а системы отношений, образуемые
взаимодействующими материальными объектами. Соответственно свойства
пространства и времени зависят от характера взаимодействия материальных
систем. Наиболее последовательно она проведена в неэвклидовой геометрии
Лобачевского и Римана и в теории относительности А. Эйнштейна. Именно их
теоретические положения исключили из науки понятия абсолютного пространства
и абсолютного времени, обнаружив тем самым несостоятельность
субстанциональной трактовки пространства и времени, как самостоятельных,
независимых от материи форм бытия. Именно эти учения, особенно общая и
специальная теория относительности обосновали зависимость пространства и
времени, их свойство от характера движения материальных систем.
1 Специальная теория относительности
В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира
трансформируется в вопрос о реальности самого эфира. Отрицательные
результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное
объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание
существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности
скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как
синтез механики и электродинамики. Принцип относительности и принцип
постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла
для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее
Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что
приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла:
«Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы,
уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы,
движущейся относительно данной». Возникала необходимость развить теорию
преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе,
равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Эйнштейн пришел к
формулировке преобразований Лоренца, из которых вытекало отрицание
неизменности протяжённости и длительности, величина которых зависит от
движения системы отсчёта.
В специальной теории относительности функционирует новый закон сложения
скоростей, из которого вытекает невозможность превышения скорости света в
вакууме. Коренным отличием специальной теории относительности от
предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве
внутренних элементов движения материи структура которых зависит от природы
самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна преобразования
Лоренца оказываются связанными с новыми свойствами пространства и времени:
с относительностью длины и временного промежутка, с равноправностью
пространства и времени, с инвариантностью пространственно-временного
интервала.
Таким образом, сформулированная в 1905 г. А. Эйнштейном специальная теория
относительности представляет собой современную физическую теорию
пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской
механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и
изотропно.В основе специальной теории относительности лежат постулаты
Эйнштейна:
- принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические,
оптические), проведенные в инерциальной системе отсчета, не дают
возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется
равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению
к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой;
- принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не
зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и
одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности
Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что
физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы
отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы во всех
инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные
системы отсчета совершенно равноправны, т.е. механические,
электродинамические, оптические и прочие явления и процессы во всех
инерциальных системах отсчета протекают одинаково.
Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света в вакууме
является одним из фундаментальных свойств природы. Специальная теория
относительности потребовала отказа от привычных классических представлений
о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства
скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и
абсолютное время. Из специальной теории относительности следуют новые
пространственно-временные представления, такие, например, как
относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности
событий. Впрочем, следует отметить, что при скоростях существенно меньше
скорости света в вакууме (что, как правило, соответствует реалиям обыденной
жизни человечества) пространственно-временные соотношения, определяемые
специальной теорией относительности, соответствуют таковым классической
механики. Лишь отдельные области человеческой деятельности (например,
исследования, проводимые на ускорителях элементарных частиц) требуют
применения релятивистской механики.
2 Пространство и время в общей теории относительности
Переход от классической механики к специальной теории относительности можно
представить так:
1) на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и
субстанциальных пространства и времени к абсолютному и
субстанциальному единому пространству - времени,
2) на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных
пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени
Эйнштейна.
Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс
явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчёта, это привело к
созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и
т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических
теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект. Новая теория -
общая теория относительности – строилась путём построения обобщённого
пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории -
специальной теории относительности - к теоретической структуре новой,
обобщённой теории с последующей её эмпирической интерпретацией.
Одной из причин создания общей теории относительности было желание
Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы
отсчёта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства
и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории
относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте,
который остался незатронутым. Речь идет о следующем положении специальной
теории относительности: "...двум выбранным материальным точкам покоящегося
тела всегда соответствует некоторый отрезок определённой длины, независимо
как от положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным
показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы
координат, всегда соответствует интервал времени определённой величины,
независимо от места и времени". Специальная теория относительности не
затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени,
а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической
взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.
Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжёлой масс.
Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно
объяснить загадку гравитации. Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил
его результат в принцип эквивалентности: «физически невозможно отличить
действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого
равноускоренным движением». Принцип эквивалентности носит локальный
характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории
относительности. Он помог сформулировать основные принципы, на которых
базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о
взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме них, Эйнштейн
выдвинул ряд математических гипотез, без которых невозможно было бы вывести
гравитационные уравнения: пространство четырёхмерно, его структура
определяется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть
инвариантными относительно группы преобразований координат.
В работе «Относительность и проблема пространства» Эйнштейн специально
рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории
относительности. Согласно этой теории пространство не существует отдельно,
как нечто противоположное «тому, что заполняет пространство» и что зависит
от координат. «Пустое пространство, т.е. пространство без поля не
существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как
структурное свойство поля».
Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема
перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам. Теория
предсказала и объяснила три общерелятивистских эффекта: были предсказаны и
вычислены конкретные значения смещения перигелия Меркурия, было предсказано
и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их прохождении вблизи
Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения
частоты спектральных линий.
Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей теории
относительности: геометризацию гравитации и релятивистскую космологию, т.к.
с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений
современной физики.
Доэйнштейновские представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим
образом: Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во
времени. Они были заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5