относительно покоящегося тела В и наоборот - считать тело В движущимся
относительно покоящегося тела А. Отсюда следует, что невозможно определить,
имели ли место два события в одной точке пространства, если они произошли в
разные моменты времени. Иначе говоря, никакому событию нельзя приписать
абсолютного положения в пространстве (как считал Аристотель). Это вытекало
из законов Ньютона. Но это противоречило идее абсолютного бога. Поэтому
Ньютон не признавал отсутствия абсолютного пространства, т.е. того, что
следовало из открытых законов.
Общим для Аристотеля и Ньютона было признание абсолютного времени - оба
полагали, что время между двумя событиями можно измерить однозначно и что
результат не зависит от того, кто осуществляет измерения, лишь бы были в
наличии у измеряющего правильные часы. Время считалось полностью отделенным
от пространства и не зависящим от него.
В 1676 г., за одиннадцать лет до выхода "Математических начал натуральной
философии" Ньютона, датский астроном О.Х.Ремер установил, что свет
распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью. Но лишь
Д.К.Максвеллу - создателю классической электродинамики - удалось объединить
две частные теории, описывавшие электрические и магнитные силы. Согласно
сформулированным Максвеллом уравнениям, описывающим электромагнитные
явления в произвольных средах и в вакууме, в электромагнитном поле могут
существовать распространяющиеся с постоянной скоростью волны (радиоволны с
длиной метр и более, волны сверхвысокочастотного диапазона с длиной порядка
сантиметра, волны инфракрасного диапазона с длиной до десяти тысячных
сантиметра, волны видимого сектора с длиной сорок - восемьдесят миллионных
долей сантиметра, волны ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения
с длиной волны еще более короткой.
Из теории Максвелла вытекало, что радиоволны и свет имеют фиксированную
скорость распространения. Но поскольку после появления теории Ньютона
представления об абсолютном покое ушли в прошлое, возник вопрос:
относительно чего измерять скорость. Для этого было введено понятие эфира -
особой субстанции, заполнявшей пространство. Стали считать, что световые
волны распространяются в эфире (как звуковые в воздухе), а скорость
распространения определяется относительно эфира. Наблюдатели, движущиеся
относительно эфира с разными скоростями, должны были видеть, что свет к ним
идет с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна
оставаться неизменной. Это означало, что при движении Земли в эфире по
своей орбите вокруг Солнца скорость света в направлении движения в сторону
источника света должна быть выше по сравнению со скоростью света при
условии отсутствия движения к источнику света. Однако опыт, поставленный
А.Майкельсоном и Э.Морли в 1887 г., в котором они сравнивали скорость
света, измеренную в направлении движения Земли, со скоростью, измеренной в
перпендикулярном этому направлению движения, показал, что обе скорости
одинаковы. Датский физик Х.Лоренц результат эксперимента Майкельсона-Морли
объяснял тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а
часы замедляют свой ход.
Следующий шаг сделал А.Энштейн созданием специальной теории
относительности, из которой вытекало. что при условии отказа от понятия
абсолютного времени нет никакой надобности в эфире. (Чуть позже аналогичную
позицию высказал и А.Пуанкаре.)
б) Специальная теория относительности
Специальная теория относительности основывалась на постулате
относительности: законы науки должны быть одинаковыми для всех свободно
движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Это означало,
что скорость света для любых наблюдателей, независимо от их скорости
движения должна быть одинаковой. Важно отметить два следствия, вытекавшие
из данного постулата. Первое - закон эквивалентности массы и энергии.
Второе - закон, по которому ничто не может двигаться быстрее света.
Из закона эквивалентности массы и энергии (Е =mc2, где Е - энергия, m -
масса, с - скорость света) следует, что чем больше энергия, тем труднее
увеличить скорость, причем данный эффект больше проявляется при скоростях,
близких к скорости света. (Так, например, при скорости тела, составляющей
10% скорости света, масса данного тела увеличивается на 0,5%, тогда как при
скорости тела, равной 90% от скорости света, его масса увеличивается в 2
раза.) По мере приближения скорости тела к скорости света его масса
увеличивается все быстрее. Для дальнейшего ускорения требуется все больше
энергии. Но скорость тела никогда не может достигнуть скорости света,
поскольку в этом случае масса тела оказывается бесконечно большой, а потому
для достижения такой скорости потребовалось бы бесконечно большая энергия.
Таким образом, принцип относительности позволяет двигаться со скоростью
света лишь телам, не обладающим нулевой массой (массой покоя), и налагает
запрет на достижение скорости света всем телам, обладающим нулевой массой.
Второе следствие из постулата относительности касается изменения
представлений о пространстве и времени. Если в теории Ньютона время
прохождения светового импульса, посланного из одной точки в другую и
измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (ибо время абсолютно), а
пройденный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (ибо
пространство не абсолютно), а разные наблюдатели получат разные скорости
света (ибо скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на
время), то в теории относительности у каждого наблюдателя должен быть свой
масштаб времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, причем
показание одинаковых часов, имеющихся у разных наблюдателей, могут не
согласоваться. Оказывается, что в рамках теории относительности нет
надобности в понятиях абсолютного времени и эфира, но зато происходит смена
представлений о пространстве и времени - теперь они не существуют как нечто
не связанное друг с другом, а существует единое пространство-время.
Событие, как нечто происходящее в определенный момент времени и в
определенной точке пространства оказалось возможным характеризовать
четырьмя координатами.
Специальная теория относительности объяснила постоянство скорости света
для всех наблюдателей и позволила описать, что происходит при движении со
скоростями, близкими к световым. Но она не согласовывалась с ньютоновской
теорией гравитации, в соответствии с которой тела притягиваются друг к
другу с силой, которая зависит от расстояния между ними. Это предполагает
бесконечную скорость распространения гравитационных эффектов, а не равную
или меньшую, как это требует теория относительности. Требовалось создать
модель гравитации, согласовывающуюся со специальной теорией
относительности. Эйнштейн в своей общей теории относительности высказал
предположение о том, что гравитация является следствием искривления
пространства-времени, вызванного распределенными в нем массой и энергией.
Искривленность пространства-времени означает, что свет распространяется не
прямолинейно, а искривляется в гравитационных полях. В нормальных условиях
эффект искривления луча зафиксировать наблюдателю трудно, но это можно
сделать во время солнечного затмения, когда Луна перекрывает солнечный
свет. Это предсказание теории было подтверждено наблюдениями в западной
Африке в 1919 г. английской экспедицией.
Другое предсказание общей теории относительности касалось того, что время
вблизи массивных тел должно течь медленнее. Это предсказание было проверено
в 1962 г. Оказалось, что часы, расположенные ближе к поверхности земли,
действительно шли медленнее расположенных выше. Помимо общего интереса
данный результат имеет большое значение для навигационных систем -
игнорирование предсказаний общей теории относительности приводит к ошибкам
при определении координат в несколько километров.
Таким образом, теория движения Ньютона отбросила представления об
абсолютном пространстве, а теория относительности - об абсолютном времени.
В общей теории относительности нет единого абсолютного времени. До создания
общей теории относительности пространство и время выступали как место для
событий, на которое все происходящее не влияет. В общей теории
относительности пространство и время изменяются под влиянием происходящих
процессов и сами влияют на них. Оказалось, что говорить о пространстве и
времени вне пределов Вселенной бессмысленно. Старые представления о вечной
и почти не изменяющейся Вселенной сменились представлениями об изменяющейся
Вселенной, которая имела начало и возможно будет иметь конец.
Таким образом, к началу ХХ века обнаружилась необходимость в коренном
пересмотре представлений о пространстве и времени. Эксперименты
свидетельствовали, что принцип относительности Галилея (в соответствии с
которым механические явления протекают одинаково во всех инерционных
системах отсчета) может быть отнесен и к области электромагнитных явлений,
а потому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму при переходе от
одной инерциальной системы отсчета к другой, т.е. должны быть
инвариантными. Но это оказалось возможным лишь для случаев, когда
преобразования координат и времени при таком переходе отличаются от
преобразований Галилея, используемых в ньютоновской механике. Лоренц
выразил эти преобразования, но не смог дать им верную интерпретацию - она
оказалась возможной в рамках специальной теории относительности, выявившей
ограниченность механической картины мира. Все попытки свести
электромагнитные процессы к механическим процессам в эфире выявили свою
несостоятельность, следствием чего и был вывод о том, что поведение формы
материи в виде электромагнитного поля не укладываются в рамки законов
механики.
в) Общая теория относительности
Специальная теория относительности имеет дело с инерциальными системами
координат, принцип относительности рассматривается применительно к
прямолинейному и равномерному движению. Что же касается непрямолинейного
или ускоренного движения, то принцип относительности в его прежней
формулировке здесь оказывается несправедливым, ибо в движущейся ускоренной
системе координат механические, оптические и электромагнитные явления
протекают не так, как в инерциальных системах отсчета. Правильное описание
этих физических явлений, учитывающее влияние на них ускорения, оказалось
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27
