Развитие пространственно-временных представлений в классической механике

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости " закон природы, а потому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости. Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Со скоростью света  тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается  относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность.

В общей теории относительности  были раскрыты новые стороны зависимости  пространственно-временных отношений  от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной н гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

Как можно представить  себе искривление пространства, о  котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень  тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).

Теория относительности  установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в  сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим меркам - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала при таком же расстоянии не будет Солнца. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремиться к бесконечности, а ее частота к нулю.

Со светом, испускаемым  Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светло вдруг сжалось  и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.

Сразу скажем, что с  Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. В конце своего существования, через 15-20 млрд. лет, оно испытает, вероятно. Множество превращений, его центральная область может значительно сжаться, но все же не так сильно.

Но другие звезды, массы  которых в три и более раз  превышают массу Солнца, в конце своей жизни и действительно испытают скорее всего быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра - это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.

Черные дыры возникают  в результате неудержимого сжатия вещества под действием его собственного тяготения. Чтобы возникла, черная дыра, тело должно сжаться до радиуса, не превосходящего отношения массы тела к массе Солнца, умноженного на 3 км. Это критическое значение радиуса называют гравитационным радиусом тела.

Физики и астрономы  совершенно уверены, что черные дыры существуют в природе, хотя до сих  пор их обнаружить не удалось. Трудности астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов. Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят, и потому в полном смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.

Сейчас имеется несколько  хорошо изученных двойных систем, в которых масса невидимого партнера оценивается в 5 или даже 8 масс Солнца. Скорее всего, это и есть черные дыры, но астрономы до уточнения этих оценок предпочитают называть эти объекты кандидатами в черные дыры.

Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса, оно столь велико, что время там как бы замирает.

Для тела, попадающего  в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до гравитационного радиуса занимает всего около часа. Но по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянемся во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю.

Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и  никогда не достигнет его. В этом проявляется замедление времени  вблизи черной дыры.

 

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в  теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются  на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлении о физическом пространстве и времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

 

 

 Теория относительности  показала единство пространства  и времени, выражающееся в совместном  изменении их характеристик в  зависимости от концентрации  масс и их движения. Время и  пространство перестали рассматриваться  независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

 Направленность времени,  связанная с эволюцией систем, в физических картинах мира  следует из второго начала  термодинамики. Направленность времени,  определяющая принцип причинности, отличает временные координаты от пространственных, причем для одновременных событий нет симметрии между "правым" и "левым". В современной картине мира в основу положены необратимые процессы, и поэтому возможно единообразное описание живого и неживого миров.

 Можно сделать вывод  об основных результатах к  которым приходит теория относительности: 

- относительность свойств  пространства-времени;

- относительность массы  и энергии;

- эквивалентность тяжелой  и инертной масс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

 

1. Горелов А.А. Концепция  современного естествознания. - М.: Центр, 1998.

2. Дубнищева Т.Я. Концепция  современного естествознания. - Новосибирск:  ЮКЭА , 1997.

3. Еремеева А.И. Астрономическая  картина мира и ее творцы. -М.: Наука, 1984.

4. Концепция современного  естествознания / под ред. Лавриненко  В.Н. -М. 1997.

5. Моисеев Н.Н. Время  в нас и вне нас. -Л.: Лениздат, 1994.

6. Пригожин И., Стенгерс  И. Порядок из хаоса. -М.: Мир, 1986.

7. Рейхенбах Г. Философия  пространства и времени. -М.: Наука, 1985.

8. Эйнштейн А., Инфельд  Л. Эволюция физики. -М., 1965.

9. Эйнштейн А. Сборник  научных трудов. Т. II -М., 1966.

 

1 Еремеева А. И.  Астрономическая картина мира  и ее творцы. - М.: Наука, 1984. С. 157

2 Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. -М..1965.- С. 130.

3 Эйнштейн А., Инфельд  Л. Эволюция физики. -М.,1965.- С. 126.

4 Рейхенбах Г. Философия  пространства и времени. - М.: Наука, 1985. С. 225.

5 Эйнштейн А. Сборник  научных трудов Т II. М, 1966. С.243