Пространство и время в свете теории относительности А. Эйнштейна

Возвращаясь к законам Ньютона, я хотел бы особо отметить, что  специальная теория относительности, хотя она внешне и противоречит законам  классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона, если ее применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть, специальная теория относительности не отменяет ньютоновской физики, а расширяет и дополняет ее.

Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира — этот вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом. В силу принципа относительности скорость света в вакууме C одинакова в любой системе отсчета. Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так.

Благодаря своей особой роли в законах  природы скорость света занимает центральное место и в общей  теории относительности. Наравне со Специальной теорией относительности существует так же Общая Теория Относительности, рассмотрим теперь её.

 

Общая теория относительности

Итак, Общая теория относительности — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого́ пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Общая теория относительности применяется  уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации.

Общая теория относительности делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все  четыре измерения неразрывны, поэтому  речь идет уже не о пространственном расстоянии между двумя объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных  интервалах между событиями, которые  объединяют их удаленность друг от друга — как по времени, так и в пространстве. То есть пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум или, попросту, пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже во мнении о том, произошли ли два события одновременно — или одно предшествовало другому. К счастью для нашего бедного разума, до нарушения причинно-следственных связей дело не доходит — то есть существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже общая теория относительности не допускает.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. С этой точки зрения Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения. Общая теория относительности, однако, заставляет нас взглянуть на это явление иначе. Согласно этой теории, гравитация — это следствие деформации («искривления») упругой ткани пространства-времени под воздействием массы (при этом чем тяжелее тело, например Солнце, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле). Представьте себе туго натянутое полотно (своего рода батут), на которое помещен массивный шар. Полотно деформируется под тяжестью шара, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Согласно общей теории относительности, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром — Солнцем. А то, что нам кажется силой тяжести, на самом деле является, по сути чисто внешнем проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании. На сегодняшний день лучшего объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не найдено.

Проверить общую теорию относительности  трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически  полностью совпадают с тем, что  предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.

На самом деле результаты, которые  предсказывает общая теория относительности, заметно отличаются от результатов, предсказанных законами Ньютона, только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это значит, что для полноценной  проверки общей теории относительности  нужны либо сверхточные измерения  очень массивных объектов, либо черные дыры, к которым никакие наши привычные интуитивные представления неприменимы. Так что разработка новых экспериментальных методов проверки теории относительности остается одной из важнейших задач экспериментальной физики.

Свойства  пространства и времени

Сам же А.Эйнштейн выделял  следующие свойства пространства и  времени :

1. Свойства пространства:

1.Пространство трехмерно, т.е предметы обладают трехмерным пространством;

2.Пространство бесконечно, т.е материальный мир не имеет ни начала, ни конца.

 

2. Свойства времени :

1.Вечность – время всегда  существовало;

2.Одномерность, одноправленость, т.е время течет;

3.Необратимость.

 

3. Общие свойства пространства и времени :

1.Объективность вытекает из  самой материи;

2.Вечность – вечна сама материя;

3.Абсолютность и относительность;

4.Бесконечность;

5.Прерывность и непрерывность;

6.Внутренняя противоречивость;

 

Научный смысл теории относительности

Создание теории относительности  было результатом обработки накопленных  человеком знаний в области физики. И Теория относительности стала  некой «следующей» ступенью развития науки - физики,  включив в себя позитивные моменты предыдущих теорий.

Математика СТО многократно была подвержена экспериментами, чтобы считаться достоверной. Что же касается ОТО, то данная теория находится в более неопределенном положении, потому что предсказанных эффектов не много, а некоторые из них (волны гравитации) до сих пор не обнаружены. Теоретически, ОТО содержит ряд несуразностей. Но есть основания надеяться, что математические основы этой теории содержат важное начало. Но, пожалуй, славу СТО и ОТО создали не столько их математические основы и результаты, сколько идеология и выводы, которые до сих пор подвергаются критике. Развитие физики привело к возрождению некоторых концепций до эйнштейновских теорий, хотя об этом стараются прямо не говорить. Именно поэтому по вопросу оценки влияния этих теорий на развитие физики существуют различные мнения. 

 

 

Заключение

Итак, классическая механика Ньютона  служит физике, технике, астрономии и  никогда не потеряет своей актуальности, поскольку имеет некую простоту, удобство классических моделей и  формул и чрезвычайно высокую  точностью в расчетах.

Теория относительности пользуется понятием четырехмерного пространства, в котором к трем обычным пространственным параметрам добавляется время. Это делается для того, чтобы более четко зафиксировать какой-либо материальный объект.

 

Список литературы

 

1. Теория относительности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://elementy.ru/trefil/43
2. Специальная теория относительности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8
3. Теории относительности А. Эйнштейна [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://lib.4i5.ru/cu127.htm
4. Специальная теория относительности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8
5. Общая теория относительности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D1%89%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8
6. Эйнштейн, Альберт[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%B9%D0%BD%D1%88%D1%82%D0%B5%D0%B9%D0%BD,_%D0%90%D0%BB%D1%8C%D0%B1%D0%B5%D1%80%D1%82
7. Пространство и время [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://avzfei.ru/ref/course-1/discipline-42/ref-6690
8. Относительности теория [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.iki.rssi.ru/hend/Dictionary/Theory%20of%20Relativity.htm
9. Концепция относительности и времени [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/guseihan/04.php
10. Теория относительности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.phyzika.ru/Teoriya_otnositelnosti.html
11. Эйнштейн. Теория относительности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000056/st025.shtml

¹ СТО - Специальная теория относительности 

² ИСО - Инерциальная система отсчёта 

³ = 299 792 458 м / с