Простір і час

Еволюція уявлень про простір і час. Суть початкових уявлень про простір і час зводилася до того, що вони являють собою якісь зовнішні умови буття, що існують незалежно від матерії. На основі подібних уявлень Ньютоном була розвинена концепція абсолютного простору і часу. Відповідно до цієї концепції «абсолютний простір за самою своєю суттю безвідносно до чого б то не було зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим»; «Абсолютний, істинний і математичне час саме по собі і по самій своїй суті тече однаково і безвідносно до чого б то не було зовнішнього ...». Іншими словами, і час, і простір існують поза будь-яких матеріальних процесів і абсолютно незалежно від них.

Проблема простору і часу тісно пов'язана з концепціями близкодействия і дальнодействия. Нагадаємо, що дальнодействие трактувалося (зокрема, Ньютоном) як миттєве поширення гравітаційних і електричних впливів через порожнє абсолютний простір. Навпаки, концепція близкодействия (цієї концепції дотримувалися Декарт, Гюйгенс, Фарадей, Максвелл) заснована на уявленні про те, що простір заповнений ефіром, в якому будь-яка взаємодія передається від точки до точки, тому світлові (і будь-які інші електромагнітні хвилі) поширюються з кінцевою швидкістю . Саме таке розуміння взаємодії і простору, що виникло в рамках класичної фізики, в XX столітті (після відмови від гіпотези ефіру) було розвинене в рамках теорії відносності і квантової механіки.

Відповідно до сучасної (релятивістської) концепції, розробленої Ейнштейном в теорії відносності, простір і час є певні форми координації матеріальних об'єктів та процесів, особливості та характер яких, в свою чергу, визначають основні властивості простору і часу. Наявність у простору і часу єдиного змісту - рухомої матерії - показує взаємозв'язок простору і часу, неможливість їх існування абсолютно незалежно один від одного. З виникненням і розвитком теорії відносності вчені перестали розглядати простір і час як два атрибути матерії - загальне визнання в природознавстві і філософії отримав висновок про те, що їх потрібно об'єднати в поняття чотиривимірного континууму і розглядати як єдину форму буття матерії - «простір-час».

Основні властивості простору і часу. Розглянемо загальні та специфічні властивості простору і часу. До першої групи свойствотносят:

1. Об'єктивність (незалежність від людської свідомості).

2. Абсолютність, універсальність (простір і час є універсальними формами існування матерії, що проявляються на всіх її структурних рівнях і на всіх етапах її розвитку).

3. Нерозривність зв'язку простору і часу один з одним і з рухом матерії.

4. Безперервність структури - відсутність будь-яких розривів в просторі і в часі.

5. Кількісна і якісна нескінченність, невіддільна від структурної нескінченності матерії (неможливо знайти місце, де були відсутні б простір і час).

До специфічних властивостей простору відносять тривимірність, однорідність і ізотропності. Тривимірність означає, що простір, в якому реалізуються всі відомі процеси і взаємодії, має три виміри, а положення будь-якого об'єкта може бути визначено за допомогою трьох незалежних величин (координат).

Однорідність простору означає ідентичність властивостей всіх точок простору (відсутність будь-яких виділених точок). Однорідності простору відповідає симетрія щодо перенесення системи координат - будь-який фізичний процес протікає точно так же, якщо здійснити його в будь-якій точці простору.

Під ізотропності простору розуміють незалежність його властивостей від напрямку розгляду цих властивостей (рівноправність усіх можливих напрямків в просторі). В ізотропному просторі будь-який фізичний процес протікає так само, якщо здійснити його в будь-який інший системі відліку, поверненою на довільний кут (симетрія відносно повороту системи координат).

Взагалі-то, характеризують такими специфічними властивостями, як одномірність, необоротність, однорідність.

Одномерностьвремені проявляється в лінійній послідовності подій, пов'язаних між собою, причому (на відміну від простору) для визначення положення в часі достатньо однієї тимчасової координати. Крім того, на відміну від простору, що володіє властивостями изотропности і однорідності, час володіє тільки властивістю однорідності, що полягає в рівноправність усіх його моментів.

Однорідність часу означає, що будь-який фізичний процес протікає так само, якщо повторити його через довільний проміжок часу (симетрія відносно зміни початку відліку часу). Властивості однорідності простору і часу і ізотропності простору, як буде показано далі, найтіснішим чином пов'язані з фундаментальними фізичними законами - законами збереження.

Незворотність є властивістю часу, що означає однонаправлений його зміна від минулого до майбутнього, зворотна течія часу і повернення в минуле неможливі. Незворотність часу пов'язана з необоротністю протікання фундаментальних матеріальних процесів.

Принципи відносності. Класичний принцип відносності (принцип фізичного рівноправ'я інерціальних систем), сформульований Галілеєм в 1636 році, звучить так: у всіх інерціальних системах відліку рух тіл відбувається за однаковими законами. Нагадаємо, що інерційних називаються системи відліку, в яких виконується закон інерції: матеріальна точка, коли на неї не діють ніякі сили (або діють взаємно врівноважені сили), знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Строго кажучи, поняття системи відліку є науковою абстракцією, тому що будь-яка реальна система відліку завжди пов'язана з конкретним тілом (наприклад, з Землею). Відповідно до класичним принципом відносності ніякими механічними дослідами, проведеними в інерціальній системі відліку, неможливо визначити, спочиває чи система рухається рівномірно і прямолінійно. Цей принцип, який виступає як один з принципів інваріантності, з'явився вихідним пунктом теорії відносності Ейнштейна.

Легко зрозуміти, що опис будь-якого фізичного явища залежить від системи відліку, в якій знаходиться спостерігач. Наприклад, пасажири рухається трамвая бачать, що монета, яка випала з руки одного з них, падає вертикально, а для пішоходів, що стоять на вулиці, рух цієї монети буде відбуватися по параболі. Таким чином, опис подій при переході з однієї системи відліку в іншу може змінюватися, однак фізичні закони, відповідні падіння тіл (так само як і будь-які інші закони природи) однакові для спостерігачів, які перебувають як в нерухомій, так і в рухомій системі координат.

Іншими словами, опис подій залежить від спостерігача, а закони природи від нього не залежать, тобто є інваріантними, в цьому і полягає суть розширеного принципу відносності. Наведемо еквівалентну формулювання цього принципу: фізичні закони мають однакову форму у всіх інерційних системах відліку. Крім принципу відносності з досвіду відомі й інші принципи інваріантності (або, інакше кажучи, симетрії) законів природи, зокрема, принципи симетрії, пов'язані з однорідністю простору і часу.

Грунтуючись на принципі відносності, Ейнштейн побудував дві окремі (хоча і споріднені, пов'язані один з одним) теорії. Класичний принцип відносності Галілея стверджував інваріантність законів механіки в усіх інерційних системах відліку. Спеціальна (приватна) теорія відносності була створена Ейнштейном в результаті спроб поширити дію цього принципу на закони електродинаміки. У загальній теорії відносності стверджується інваріантністьзаконів природи в будь-яких системах відліку - як інерційних, так і неінерційних системах (рухомих зі змінною швидкістю по відношенню до інерціальним системам).

Спеціальна теорія відносності. Завдяки своїй особливій ролі не тільки в електродинаміки, але і в теорії відносності Ейнштейна центральне місце займає швидкість світла. Довгий час її вважали нескінченно великою величиною, чисельне значення швидкості світла у вільному просторі, наближено дорівнює 300000 км / с, було визначено лише в XIX столітті. Ця величина є верхньою межею швидкості будь-яких об'єктів, хвиль і сигналів, граничною швидкістю передачі інформації і будь-яких фізичних взаємодій. У переважній більшості випадків швидкість світла незрівнянно велика в порівнянні зі швидкостями тел в навколишньому світі (наприклад, швидкість Землі в її орбітальному русі навколо Сонця становить близько 30 км / с, а швидкість самого Сонця, що рухається навколо центру Галактики, дорівнює приблизно 250 км / с).

Відповідно до розширеним принципом відносності швидкість світла у вакуумі повинна бути однаковою у всіх інерційних системах відліку. Цей принцип, здавалося б, суперечить здоровому глузду, тому що світло від рухомого джерела (з якою б швидкістю він не рухався) і від нерухомого джерела повинні доходити до спостерігача одночасно. Однак в природі поширення світла відбувається саме так.

Щоб узагальнити принцип відносності і поширити його на всі закони фізики, Ейнштейну довелося переглянути ньютонівські просторово-часові уявлення. Зі спеціальної теорії відносності випливає, що багато просторово-часові властивості, що вважалися досі незмінними, абсолютними, фактично такими не є - вони відносні. Зокрема, в спеціальній теорії відносності втратили свій абсолютний характер такі просторово-часові характеристики, як протяжність об'єкта (довжина), часовий інтервал, одночасність подій. Всі ці характеристики, як показав Ейнштейн, залежать від взаємного (відносного) руху матеріальних об'єктів.

Спеціальна теорія відносності об'єднує простір і час в цілісний просторово-часової континуум. Відповідно до цієї теорії просторово-часові властивості тіл залежать від швидкості їх руху - при збільшенні швидкості тіла (до значень, близьких до швидкості світла) його розміри тіла скорочуються в напрямку руху, тимчасові процеси сповільнюються, крім того, при цьому зростає маса тіла.

При складному (сукупному) русі матеріального об'єкта його швидкість визначається складанням векторів швидкостей, відповідних компонентів руху. У цьому сенсі швидкість відносна - її величина залежить від системи відліку, в якій знаходиться спостерігач. На противагу цьому рух світла принципово відрізняється від руху інших матеріальних об'єктів, швидкість яких менше швидкості світла - швидкість світла не складається з іншими швидкостями, вона абсолютна, В цьому полягає суть найважливішого твердження, яке покладено в основу спеціальної теорії відносності.

Абсолютність, незмінність швидкості світла не суперечить принципу відносності і повністю сумісна з ним. Сталість швидкості світла - твердо встановлене властивість природи. Надзвичайно важливим є те, що без залучення цієї найважливішої величини - швидкості світла - неможливо вирішити проблему одночасності подій. Одночасність в теорії відносності також є відносною, що залежить від системи відліку. У класичній механіці, в якій час абсолютно, абсолютної є і одночасність явищ. У спеціальній теорії відносності розглядаються парадоксальні ефекти, що виникають при русі тіл зі швидкістю, близькою до швидкості світла, і такі, що суперечать звичайним інтуїтивним уявленням про світ. Найвідоміший з цих ефектів - ефект уповільнення (уповільнення ходу годинника): годинник, рухомі щодо спостерігача, йдуть для нього повільніше, ніж такий самий годинник у нього на руці.

Загальна теорія відносності. На відміну від спеціальної теорії відносності загальна теорія відносності (ЗТВ) може бути застосована до будь-яких систем відліку. У математичному відношенні ОТО набагато складніше, вона включає в себе як окремий випадок спеціальну теорію відносності (а, отже, і закони Ньютона). В ОТО встановлена ​​залежність просторово-часових відносин від матеріальних процесів, що протікають у часі і просторі. В основі цієї теорії лежить принцип еквівалентності інерційної і гравітаційної мас, встановлений ще в класичній фізиці: кінематичні ефекти, що виникають під дією гравітаційних сил, еквівалентні інерціальним ефектів, що виникають під дією прискорення.

У загальній теорії відносності Ейнштейн дає нову інтерпретацію гравітації. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння між будь-якими двома тілами у Всесвіті існує сила взаємного тяжіння - саме тому, зокрема, Земля обертається навколо Сонця. Однак в ОТО це явище інтерпретується інакше: гравітаційне поле будь-якого тіла є наслідком деформації (викривлення) простору-часу під впливом маси тіла. При цьому, чим важче (масивніше) тіло, породжує гравітацію, тим сильніше деформується простір-час навколо нього і тим сильніше його гравітаційне поле. Те, що спостерігач вважає силою тяжіння (силою в ньютоновском розумінні), згідно ОТО є міра зовнішнього прояву викривлення простору-часу. Відзначимо, що до теперішнього часу таке трактування є найбільш задовільним поясненням природи гравітації.

В ОТО встановлено не тільки викривлення простору під дією гравітаційного поля, а й уповільнення ходу часу в сильних полях тяжіння, яке тим помітніше, чим інтенсивніше гравітаційне поле (в гравітаційному полі з досить високою напруженістю можлива повна зупинка часу). При цьому зі світловим випромінюванням відбувається наступне: чим сильніше тяжіння, тим більше збільшується довжина світлової хвилі і зменшується її частота; при певній величині напруженості гравітаційного поля довжина хвилі прямує до нескінченності, а її частота відповідно до нулю. Для спостерігача цей ефект проявляється в тому, що джерело світлового випромінювання стає невидимим, оскільки світло не поширюється, не покидає джерела. Зокрема, зі світлом, випромінюваних Сонцем, таке могло б статися при його стисканні в кулю з радіусом менше 3 км - тоді (відповідно до закону всесвітнього тяжіння) сила тяжіння поблизу поверхні цієї кулі збільшиться настільки, що світло не зможе покинути поверхню зірки.

Загальна теорія відносності стала останньою фундаментальною фізичною теорією, створеної в рамках побудови електромагнітної картини світу. Сучасне розуміння простору і часу, як видно з вищевикладеного, тісно пов'язане з теорією відносності.