Вращательная относительность и вращательные координаты.

Поступательное и вращательное движение. Системы отсчёта как с поступательными, так и вращательными системами координат. Шестимерные и десятимерные пространства событий. Класс голономных и неголономных координат.

В повседневной жизни мы наблюдаем два типа движений тел – поступательные и вращательные. Например, автомобиль, который движетсяпогоризонтальной поверхности, движется поступательно. Движение колес автомобиля относительно его корпуса является вращательным. Поступательное движение тел описывается в физике поступательными координатами х, у и z. Для описания вращательного движения используют вращательные координаты ф₁, ф₂, ф₃ (ими могут быть углы Эйлера).

Механика Ньютона, электродинамика Максвелла-Лоренца-Эйнштейна, теория гравитации Эйнштейна и геометризированная электродинамика построены так, что используемые этими теориями системы отсчета образуют множество относительных поступательных координат (см. таблицу № 1). В таблице также указаны относительные физические величины, причем каждая более сложная теория включает в себя все предыдущие относительные величины и добавляет свои. Например, в электродинамике Максвелла-Лоренца-Эйнштейна, которая использует четырехмерные инерциальные системы отсчета, кинетическая энергия равномерного движения зарядов относительна, так же как и в механике Ньютона. Но в ней дополнительно оказываются относительными длина объекта и время его жизни. В теории гравитации Эйнштейна и геометризированной электродинамике относительно все то, что и в электродинамике Максвелла-Лоренца-Эйнштейна, плюс относительными оказываются гравитационные и электромагнитные поля соответственно.

Таблица № 1.

Легко видеть, что в эту таблицу не входят вращательные координаты ф₁, ф₂, ф₃. Это и понятно, поскольку все перечисленные в таблице системы отсчета по определению не вращаются. Поэтому можно сказать, что до сих пор теория относительности развивалась как теория поступательной относительности.

Следующий шаг в развитии теории относительности потребовал введения многообразия относительных координат ускоренных систем отсчета, которые испытывают вращение при своем движении. Такие системы отсчета движутся не только в трансляционных координатах, но также и во вращательных. Теория, в которой используются вращательные координаты, требует увеличения размерности пространства событий. Например, если рассматриваются трехмерные вращающиеся системы отсчета с трансляционными координатами х, у и z, то они дополнительно описываются тремя вращательными координатами. В этом случае пространство событий шестимерно. Если же мы будем рассматривать четырехмерные вращающиеся системы отсчета, то пространство событий будет уже десятимерным, поскольку в четырехмерном пространстве трансляционных координат х, у, z, ct имеется шесть вращательных координат: три пространственных угла ф₁, ф₂, ф₃ и три псевдоевклидовых угла ₁, ₂, ₃.

Трансляционные и вращательные координаты существенно отличаются по своим свойствам. Трансляционные координаты относятся к классу голономных (или интегрируемых). Движение в голономных координатах характерно тем, что оно не зависитот направления пути в одну и ту же точку пространства.

Рис. 8. Результат движения в голономных координатахх, у,иz не завит от последовательности пути движения.

Наглядно это свойство изображено на рис. 8, где показано движение в голономных координатах х, у, и z из начала координат О до точки Р по отрезкам 1, 2 и 3 вдоль осей Ох, Оу и Oz. Ha рис. 8 а) движение начинается вдоль оси х на величину отрезка 1, затем вдоль оси у на величину отрезка 2 и, наконец, вдоль оси z на величину отрезка 3. В результате мы приходим в точку Р. На рис. 8 б) порядок движения изменился: сначала движение происходит вдоль оси у на величиау отрезка 2, затем вдоль оси х на величину отрезка 1 и, окончательно, вдоль оси z на величину отрезка 3. И опять мы приходим в точку Р. Этот же результат мы получим, если начнем движение вдоль оси z, как это показано на рис. 8 в).

В отличие от голономных координат х, у, и z, при движении в неголономных координатах ф₁, ф₂, ф₃ результат двух поворотов на конечные углы зависит от последовательности этих поворотов. Для иллюстрации этого утверждения, рассмотрим два последовательных поворота вокруг осей х, и z на углы 90° (рис. 9 и 10).

Рис. 9. Два последовательных поворота на угол180°: а) – поворот на90°по часовой стрелке вокруг осиz; б) – то же, вокруг оси у; в) – результат двух последовательных поворотов.

Рис. 10. Смена порядка последовательных поворота на угол 180°: а) -поворот на 90° по часовой стрелке вокруг оси у, б) – то же, вокруг оси z; в) – результат двух последовательных поворотов.

Из рисунков видно, что результат двух конечных поворотов вокруг осей у и z зависит от последовательности этих поворотов (положения квадрата со звездочкой на рис. 9 в и рис. 10 в не совпадают).