Целостное описание пространства-времени

Согласно правилу сложения скоростей Галилея, скорость частицы всегда можно сделать малой, перейдя в движущуюся инерциальную систему отсчета. Но следует помнить, что окружающая нас природа воспринимается человеком непосредственно в двух качественно различных формах – в виде вещества и света. Согласно Аристотелю, свет распространяется мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью, так что до 17 века вопрос о справедливости закона преобразования скоростей для света и не возникал. В конце 17 века было установлено, что свет распространяется с конечной, но очень большой скоростью – около 300 тысяч километров в секунду. В конце XIX века удалось поставить очень точные эксперименты по измерению скорости света в различных движущихся системах отсчета. Они показали, что вопреки закону сложения скоростей Галилея скорость света в различных ИСО (неподвижных и движущихся) одна и та же.

Осознание этого факта привело А. Эйнштейна к формулировке двух фундаментальных принципов физики, составляющих основу объективного описания природы. Согласно первому из них – принципу относительности – все фундаментальные законы природы имеют одинаковый вид в любой ИСО, неподвижной или движущейся. Иначе говоря, никакими опытами нельзя отличить систему отсчета, движущуюся равномерно и прямолинейно, от покоящейся системы отсчета. Согласно второму принципу – принципу постоянства скорости света – скорость света одинакова во всех ИСО и является предельной возможной скоростью распространения материальных объектов.

Поскольку скорость – это фактически геометрическая характеристика угла наклона касательной к траектории движения, то оказывается, что в соответствующем четырехмерном пространстве-времени уже несправедлива знаменитая теорема Пифагора (в этом пространстве промежуток времени и расстояние оказываются относительными к выбору ИСО, движущимся с большими скоростями). Неизменным (инвариантным) относительно выбора любых ИСО оказывается только особая величина – пространственно-временной интервал между событиями , связывающий воедино момент времени и геометрические координаты событий. В простейшем случае для двух событий, разделенных промежутками времени Dt и расстоянием Dх он представляет собой следующую комбинацию: .)

В едином пространстве-времени длина движущегося тела в направлении движения должна уменьшаться, а период движущихся часов – увеличиваться, что принято называть эффектами «сокращения длины» и «замедления времени». Они наблюдаются на опыте, причем замедление времени было обнаружено непосредственно в распадах элементарных частиц и в экспериментах на самолетах и ракетах, а сокращение длины, главным образом, косвенно. Учет соответствующей поправки, которой можно пренебречь в пределе малых скоростей, позволяет пользоваться также и движущимися часами. Как оказалось позже, эти эффекты не являются экзотикой. Именно с сокращением длины связано возникновение магнитного поля вокруг проводников с электрическим током.

Более того, в едином пространстве-времени оказывается относительным понятие одновременности удаленных событий. Так, два события, одновременные в одной системе отсчета, могут быть неодновременными в другой. Однако порядок «раньше-позже» сохраняется во всех ИСО для всех событий, которые могут быть связаны сигналом. Наконец, здесь возникает иное правило преобразования скоростей, отличное от простого сложения. Его применение не противоречит принципу постоянства скорости света в любых ИСО. И оно также находит экспериментальные подтверждения.

Максимально объективное описание природы, независящее от выбора конкретной ИСО, требует признать концепцию единого пространства-времени. Сложное и тонкое переплетение этих категорий открывает путь к последовательному описанию самых фундаментальных представлений о природе.

Соответствующие четырехмерные скаляры принято называть просто инвариантами. Примерами таких инвариантов, помимо интервала между событиями, могут служить масса и электрический заряд. Что касается четырехмерных векторов, то они представляют собой комбинации ряда величин, являющихся скалярами и векторами в трехмерном пространстве. Так, четырехмерный вектор расстояния объединяет в себе промежуток времени (скаляр) и трехмерный вектор расстояния. Аналогично, четырехмерный вектор энергии-импульса объединяет трехмерный скаляр – энергию и трехмерный вектор – вектор импульса. Это значит, что данные величины по отдельности характеризуют объект только в фиксированной СО, а в совокупности они образуют единую фундаментальную физическую величину, имеющую смысл во всех ИСО.

Таким образом, концепция единого пространства-времени Эйнштейна противостоит представлениям Ньютона о бесконечной протяженности в виде абсолютного пространства, вмещающем материю, и равномерной длительности в виде абсолютного времени, в котором все возникает и исчезает. Именно эта концепция позволила сформулировать взгляд на природу в рамках классической стратегии познания и создать основание для единого описания частиц или электромагнитного поля. Она основана на достоверных экспериментальных фактах и охватывает самые общие формы бытия материи. Многообразие пространственно-временных отношений проявляется на всех структурных уровнях материи как в классической, так и в неклассической физике.

Контрольные вопросы:

1. Какое первое свойство пространства и времени? В чем оно заключается?

2. Назовите второе свойство пространства и времени. Его следствие.

3. Что называется пространственными координатами?

4. Что может выступать в роли системы отсчета (СО)?

5. Назовите первый фундаментальный закон природы.

6. В чем заключаются эффекты «сокращения длины» и «замедления времени»?

7. С каким эффектом связано возникновение магнитного поля вокруг проводника с электрическим током?

8. Что такое изотропность пространства?