Современные представления о материи, пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности

На рубеже XIX-XX вв. в физике произошел кризис, который был связан с невозможностью объяснить новые эмпирические данные с помощью законов и принципов, сформулированных в рамках механистической парадигмы. На смену классической физике, построенной на принципах механики И. Ньютона, пришла новая фундаментальная теория – теория относительности А. Эйнштейна, которую часто называют релятивистской. Она возникла на границе между механикой И. Ньютона и электромагнитной теорией Дж. Максвелла как результат попыток устранить логические противоречия, существовавшие между этими двумя концепциями, и включает в себя специальную теорию относительности (СТО) и теорию относительности (ТО).

Специальная теория относительности распространила принципы относительности, сформулированные еще Г. Галилеем для механических систем, на электромагнитные взаимодействия. Ряд опытов, проведенных физиками в конце XIX в., показал, что скорость света остается неизменной во всех системах координат независимо от того, движется излучающий свет источник или нет. Однако эти выводы противоречили принципу относительности Г. Галилея.

В конце XIX в. господствовало представление, что мировое пространство заполнено особым эфиром, в котором распространяются световые волны. Для того чтобы обнаружить движение Земли относительно эфира, американский физик А. Майкельсон в 1887 г. решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному и вертикальному направлениям относительно Земли. Согласно гипотезе светоносного эфира время прохождения света по этим направлениям должно различаться. Однако результат эксперимента показал неизменность скорости света в обоих направлениях. Такой вывод противоречил классическим представлениям о том, что координаты и скорости должны преобразовываться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Скорость света оказалась не зависящей от движения Земли.

Для объяснения результатов эксперимента А. Майкельсона X. Лоренц вывел уравнения, позволяющие вычислить сокращение движущихся тел и промежутков времени между событиями, которые происходят в зависимости от скорости движения объектов. Преобразования X. Лоренца предполагали реальное сокращение тел и промежутков времени.

В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой объяснил результаты опытов А. Майкельсона и изложил основные положения специальной теории относительности. А. Эйнштейн распространил принцип относительности на все системы и сформулировал его иначе, чем Г. Галилей: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии прямолинейного и равномерного движения, т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны между собой.

Таким образом, механические, электромагнитые, оптические и др. процессы во всех инерциальных системах протекают одинаково;все системы отсчета были признаны равнозначными, не имеющими никаких преимуществ друг перед другом. Принцип относительности приобрел всеобщий, универсальный характер.

Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится. Специальная теория относительности установила также инвариантность материальных процессов и скорости света относительно преобразований X. Лоренца. А. Эйнштейн показал, что преобразования X. Лоренца отражают не реальные сокращения тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от движения системы отсчета. Тела сокращаются, а время замедляется для внешнего наблюдателя, тогда как внутри движущейся системы все физические процессы протекают обычным образом.

А. Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантности (постоянства) скорости света, который гласит: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300000 км/с.

А. Эйнштейн пришел к выводу, что противоречия в основах классической механики вытекают из неверного, не соответствующего физическому опыту представления о свойствах пространства и времени как абсолютных и неизменных, а также из неверного представления об абсолютной одновременности событий. Эти классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамках субстанциональной концепции, которая окончательно сформировалась в Новое время. Ее основой стало понимание абсолютного пространства и абсолютного времени И. Ньютоном. А бсолютное пространство – это пустое вместилище для вещества. Оно однородно, неподвижно, трехмерно, существует независимо от физических тел, его свойства описываются геометрией Евклида. Движение в абсолютном пространстве осуществляется по законам механики и представляет собой перемещение по непрерывным, строго определенным траекториям. Абсолютное время есть совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. Абсолютное время – это время одинаковое в любой точке Вселенной. В субстанциональной концепции пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов.

Субстанциональная концепция пространства и времени адекватно вписывалась в механистическую картину мира, предлагаемую классической философией, и соответствовала уровню развития науки XVII в. Однако уже в эпоху Нового времени появляются другие идеи. Так, Г. Лейбниц считал, что пространство и время – это особые отношения между объектами и процессами и независимо от них не существуют. Пространство – порядок сосуществований тел, а время – порядок последовательностей событий. Г. Лейбниц утверждал, что существует связь вещей (материи) с пространством и временем.

Несколько позже Г. Гегель отмечал, что движущаяся материя, пространство и время связаны друг с другом, а с изменением скорости протекания процессов меняются и пространственно-временные характеристики.

Впервые идеи о пространстве, которые можно характеризовать как реляционные, были высказаны античными философами. Так, Аристотель критиковал Демокрита и отрицал существование пустоты. Пространство, по его мнению, есть система естественных мест, занимаемых материальными объектами.

В законченном виде реляционная концепция пространства и времени сложилась после создания общей и специальной теорий относительности А. Эйнштейна и неевклидовой геометрии Н. Лобачевского.

А. Эйнштейн пришел к выводу об универсальности и всеобщности принципа относительности: не только механические, но и электромагнитные инерциальные системы равноправны по отношению друг к другу, а события, одновременные в одной системе, не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой. Следствием этого вывода стало признание относительности измерений размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть различна. То же самое относится и ко времени: время протекания процесса будет различным, если измерять его часами, движущимися с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, а размеры тел сокращаются, если наблюдать за ними, находясь за пределами самой движущейся системы.

Таким образом, в специальной теории относительности размеры тел и время протекания процессов ставятся в прямую зависимость от системы отсчета, в которой производится их измерение. Физический процесс может быть описан только по отношению к конкретной системе отсчета, выбор которой зависит от наблюдателя.

Другим важным следствием теории А. Эйнштейна стало признание относительности массы тела, которая была поставлена в зависимость от скорости его движения. Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии, а энергия зависит от скорости движения. Известная формула Е = тс ² выражает это отношение.

Общая теория относительности (или гравитационная теория), созданная А. Эйнштейном в 1916 г., позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любым ускорением. Распространение результатов специальной теории на неинерциальные системы отсчета привело к установлению зависимости между метрическими свойствами пространства и времени и гравитационными взаимодействиями. К подобным выводам привели следующие размышления. Существует два способа определения массы тела: через ускорение (инертная масса) и через притяжение в поле тяготения (гравитационная масса). Специальная теория относительности установила зависимость инертной массы от скорости движения тела. Оказалось, что метрика пространства–времени зависит от силы гравитационного поля, которое создается веществом. Массы вещества создают особое поле тяготения, материя влияет на свойства пространства и времени. Например, было установлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле, из-за более высокого гравитационного потенциала на его поверхности. В 1919 г. во время солнечного затмения наблюдалось отклонение луча света вблизи поверхности Солнца, что свидетельствовало об изменении свойств пространства.

Вывод А. Эйнштейна гласил: в зависимости от гравитационных масс время замедляется, а пространство искривляется. Кривизна пространства измеряется отклонением от классических правил геометрии Евклида. Так, например, в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180°. Однако сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы, больше 180°, а на седловидной поверхности – меньше 180°. Величина поля тяготения в каждой точке пространства зависит от его кривизны. Инерциальное движение точки в таком пространстве осуществляется не прямолинейно и равномерно, а по линии искривленного пространства. Идею искривленного пространства предложили Б. Риман и Н.И. Лобачевский.

Общая теория относительности А. Эйнштейна объединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации и метрики пространства–времени. Выводы общей и специальной теории относительности и неевклидовой геометрии полностью дискредитировали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени.

С точки зрения современной науки, все окружающее существует в пространстве и развивается во времени. Пространство и время неразрывно связаны друг с другом, составляют единый пространственно-временной континуум. Время можно измерить мерой пространства – расстоянием (например, изменением положения стрелок часов на циферблате), а расстояние – временем (например, 15 минут ходьбы от дома до института). Выделяемая часть пространства образует объект. Выделение и фиксация данного объекта во времени дает состояние объекта. Упорядоченная последовательность состояний объекта представляет собой процесс его развития во времени. Реляционная парадигма предполагает рассмотрение пространства и времени как систем отношений между взаимодействующими объектами. Философия определяет пространство и время как всеобщие формы существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее.

Физическим пространству и времени приписываются определенные характеристики. Общими для них являются свойства объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.

У пространства и времени есть ряд специфических характеристик. Пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность. Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения. Изотропность означает равномерность всех возможных направлений, т.е. инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т.е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются. Свойства изотропности и однородности пространства являются следствием его симметричности, т.е. независимости от изменения физических условий. Трехмерность описывает тот факт, что положение любого объекта в пространстве может быть определено с помощью трех независимых величин.

Времени приписываются свойства длительности, однородности, одномерности, необратимости. Длительность рассматривается как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Однородность свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов. Одномерность означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Необратимость - однонаправленность от прошлого к будущему.

Идею о едином пространственно-временном континууме в конце XIX в. предложил немецкий математик и физик Г. Минковский, поэтому четырехмерный пространственно-временной континуум называют миром Минковского. В этом мире положение тела может быть определено с помощью четырех величин: трех пространственных и одной временной.

Таким образом, как уже отмечалось ранее, создание теории относительности способствовало становлению современной естественнонаучной картины мира (СКМ). Объясняется это тем, что теория относительности обеспечила новое научное толкование большинства фундаментальных понятий, образующих базис научной картины мира.В СКМ выдвинуто новое понимание физического движения. Оно не ограничивается (как это было в механистической картине мира) лишь прямолинейным механическим движением, а охватывает световые, электрические, магнитные процессы. Теория относительности показала, что нельзя абсолютизировать понятия, принципы, законы классической механики,что они верны лишь для определенных условий. Показана несостоятельность Ньютоновских понятий абсолютного пространства как некоей пустоты и абсолютного времени, одинакового в любой точке Вселенной. Вместо них СКМ аппелирует к множеству относительных (местных) пространств и времен. Обнаружена неразрывная связь пространства и времени.