КСЕ
езультатом обобщения и синтеза классической механики Галилея -
Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы всех
физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но
без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к
классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным
случаем”.[1]
Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический
принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы
механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в
любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно
первой”.[2] Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в
них подчиняется закону инерции: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или
равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить
его под влиянием движущихся сил”.[3]
Из принципа относительности следует, что между покоем и движением -
если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы.
Разница только в точке зрения.
Таким образом, слово “относительно” в названии принципа Галилея не
скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла,
кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой
- всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой
отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным
движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают
смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Если классический принцип относительности утверждал инвариантность
законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной
теории относительности данный принцип был распространен также на законы
электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность
законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и
неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с
замедлением или ускорением.
В соответствии со специальной теорией относительности, которая
объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-
временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от
скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении
движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000
км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса
тела увеличивается.
Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно
и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти
эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при
измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же
образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных
системах отсчета протекают одинаково. Но если система является
неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так,
если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к
далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе
корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем
больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к
скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в
результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное
будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем
выпала из хода развития на Земле.
Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости
движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов,
возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с
ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10-6 - 10-15 с (в
зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на
небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано
измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон
движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в
нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч
раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.
Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном
принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое
положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех
инерциальных системах отсчета.
Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по
значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся
со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая
большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических
взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех
других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел
всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости
относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не
складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и,
говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.
Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и
полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а
поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив
во всех инерциальных системах отсчета.
Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел
в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она
максимальна - это абсолютный рекорд скорости.
“Для всех физических процессов скорость света обладает свойством
бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости
света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически
невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат
был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами.
Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее
скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света”[4].
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 скорость 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 и 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 ничего нет.
Замедление 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 устремится к бесконечности, а ее частота - к
нулю.
Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случится, если бы наше
светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в
| |  скачать работу |
КСЕ |
