Рефераты. Эволюция представлений о пространсте и времени






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



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.