Принцип относительности в классической физике. Принцип относительности в классической механике

Протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея , который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея , оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике .

В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).

История

С исторической точки зрения, к открытию принципа относительности привела гипотеза о движении Земли, особенно о её вращении вокруг оси . Вопрос заключался в следующем: если Земля вращается, то почему мы этого не наблюдаем в экспериментах, совершённых на её поверхности? Обсуждение этой проблемы привело ещё средневековых учёных Николая Орема (XIV в.) и Ала ад-Дина Али ал-Кушчи (XV в.) к выводу, что вращение Земли не может оказать никакого влияние на какие-либо опыты на её поверхности. Эти идеи получили в эпоху Возрождения . Так, в сочинении «Об учёном незнании» Николай Кузанский писал:

Наша Земля в действительности движется, хоть мы этого не замечаем, воспринимая движение только в сопоставлении с чем-то неподвижным... Каждому, будь он на Земле, на Солнце или на другой звезде, всегда будет казаться, что он как бы в неподвижном центре, а все остальное движется.

Аналогичные мысли содержатся и в диалоге Джордано Бруно «О бесконечности, Вселенной и мирах»:

Как это заметили древние и современные истинные наблюдатели природы и как это показывает тысячью способов чувственный опыт, мы можем заметить движение только посредством известного сравнения и сопоставления с каким-либо неподвижным телом. Так, люди, находящиеся в середине моря на плывущем корабле, если они не знают, что вода течет, и не видят берегов, не заметят движения корабля. Ввиду этого можно сомневаться относительно покоя и неподвижности Земли. Я могу считать, что если бы я находился на Солнце, Луне или на других звездах, то мне всегда казалось бы, что я нахожусь в центре неподвижного мира, вокруг которого вращается все окружающее, вокруг которого вращается этот окружающий меня мир, в центре которого я нахожусь.

Однако «отцом» принципа относительности заслуженно считается Галилео Галилей , который придал ему чёткую физическую формулировку, обратив внимание, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:

Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона . В своих «Математических началах натуральной философии» (том I, следствие V) Ньютон так сформулировал принцип относительности:

Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.

Во времена Галилея и Ньютона люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. Однако с развитием электродинамики оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики (в частности, механическая формулировка принципа относительности) плохо согласуются друг с другом, так как уравнения механики в известном тогда виде не менялись после преобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований к ним самим или к их решениям - меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания (например, измененную скорость света). Эти противоречия привели к открытию преобразований Лоренца , которые делали применимым принцип относительности к электродинамике (сохраняя инвариантной скорость света), и к постулированию их применимости также к механике , что затем было использовано для исправления механики с их учетом, что выразилось, в частности, в созданной Эйнштейном Специальной теории относительности . После этого обобщённый принцип относительности (подразумевающий применимость и к механике, и к электродинамике, а также к возможным новым теориям, подразумевающий также преобразования Лоренца для перехода между инерциальными системами отсчета) стал называться «принципом относительности Эйнштейна», а его механическая формулировка - «принципом относительности Галилея».

Принцип относительности, включающий явно все электромагнитные явления, был, по-видимому, впервые введен Анри Пуанкаре начиная с 1889 года (когда им впервые высказано предположение о принципиальной ненаблюдаемости движения относительно эфира) до работ , , , когда принцип относительности был сформулирован детально, практически в современном виде, в том числе введено его современное название и получены многие принципиальные результаты, повторенные позже другими авторами, такие, как, например, детальный анализ относительности одновременности, практически повторенный в работе Эйнштейна . Пуанкаре также, по признанию Лоренца, был человеком, вдохновившим введение принципа относительности как точного (а не приближённого) принципа в работе Лоренца , а впоследствии внёсшим необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых у Лоренца обнаружились ошибки.

В этой принципиальной статье Х. А. Лоренца (1904 г.), содержавшей вывод преобразований Лоренца и другие революционные физические результаты в достаточно завершённой форме (за исключением упомянутых технических ошибок, не следовавших из метода, исправленных Пуанкаре), он, в частности, писал: «Положение вещей было бы удовлетворительным, если бы можно было с помощью определенных основных допущений показать, что многие электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы. … На скорость налагается только то ограничение, что она должна быть меньше скорости света» . Затем, в работе 1904 года Пуанкаре дополнительно углубил результаты Лоренца, донеся значение принципа относительности до довольно широких кругов физиков и математиков. Дальнейшее развитие практического использования принципа относительности для построения новой физической теории было в 1905 г. в статье А. Пуанкаре «О динамике электрона» (), называвшего его в этой работе «постулатом относительности Лоренца», и в практически одновременной статье А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» .

Очевидно, принцип относительности Эйнштейна и выросшая из него идея геометризации пространства-времени сыграли важную роль при распространении на неинерциальные системы отсчета (учитывая принцип эквивалентности), то есть в создании новой теории гравитации - общей теории относительности Эйнштейна . Остальная теоретическая физика также ощутила влияние принципа относительности не только непосредственно, но и в смысле повышенного внимания к симметриям .

Можно заметить, что даже если когда-либо обнаружится, что принцип относительности не выполняется точно, его огромная конструктивная роль в науке своего времени (длящаяся по меньшей мере до сих пор) настолько велика, что ее даже трудно с чем-нибудь сравнить. Опора на принцип относительности (а потом также ещё и на некоторые его расширения) позволила открыть, сформулировать и продуктивно разработать такое количество первостепенных теоретических результатов, практически не мыслимых без его применения, во всяком случае, если говорить о реальном пути развития физики, что его можно назвать основой, на которой построена физика.

Примечания

Литература

• Ландау, Л. Д. , Лифшиц, Е. М. Теория поля. - Издание 7-е, исправленное. - М .: Наука , 1988. - 512 с. - («Теоретическая физика» , том II). - ISBN 5-02-014420-7

Оригинальные источники и исторические обзоры в русском переводе

• http://ivanik3.narod.ru/linksPrincipOtnositelnosty.html Принцип относительности. Сборник работ классиков релятивизма. Под редакцией В. К. Фредерикса и Д. Д. Иваненко . ОНТИ. Ленинград 1935 г. (pdf, русск.).
• http://www.krelib.com/sborniki__obzory/4413 Принцип относительности. Сборник работ по специальной теории относительности. М., Атомиздат, 1973. 332 с. (djvu, русск.)

Оригинальные источники

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Принцип относительности Галилея был сформулирован для классической механики и заключается в следующем:

Физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Для справки сразу же нужно отметить, что физические величины не изменяющие своих значений при переходе из одной системы координат в другую с использованием какого-либо преобразования называются инвариантами относительно примененного преобразования.

Уравнения, которые остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, называются инвариантными .

Пусть есть инерциальная система S и движущаяся относительно ее с постоянной скоростью система S’. Предположим, что известен закон движения материальной точки в системе S. Задача нахождения движения этой точки в системе S’ решается с помощью преобразования Галилея . В момент времени точки начала координат О и О’ совпадают и оси координат (X,Y,Z и X’,Y’,Z’) параллельны друг другу. Система S’ движется вдоль оси Z. В момент времени t точка М и системы координат S и S’ расположены так, как показано на рисунке.

В проекциях примет вид , , , . В обратной форме . А в проекциях , , — эти формулы и являются преобразованием Галилея .

Преобразование Галилея справедливо в случае, если .

Если продифференцировать уравнение по времени, то можно получить нерелятивистский закон сложения скоростей , который имеет следующий вид:

Ускорение инвариантно относительно преобразования Галилея

Если это уравнение продифференцировать по времени еще раз, то полученный результат покажет, что ускорение инвариантно относительно проеобразования Галилея.

Из чего действительно видно, что , где — ускорение в системе S, а — ускорение в системе S’.

Т.е. при переходе из одной системы отсчета к другой мы использовали преобразование Галилея. Ускорение при этом не измениловь. Значит можно сделать вывод, что ускорение инвариантно относительно примененного преобразования.

Принцип относительности Эйнштейна

Формулировка 1

Законы природы, по которым изменятся состояния физических систем, не зависят от того, к какой из инерциальных систем отсчета относятся эти изменения.

Формулировка 2

Все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Принцип относительности Энштейна представляет собой более общее определение принципа относительности Галилея. Если принцип относительности галилея был сформулирован только для класической механики, то принцип относительности Энштейна касается всех физических процессов происходящих в природе.

Каждому событию соответствует точка пространства Минковского, в лоренцевых (или галилеевых) координатах. Координаты этой точки задаются тремя декартовыми координаты трёхмерного евклидова пространства. — четвертая координата, в которой ― скорость света, а ― время события. Связь между пространственными расстояниями и промежутками времени, разделяющими события, характеризуется квадратом интервала:

Интервал в пространстве Минковского играет роль, аналогичную роли расстояния в геометрии евклидовых пространств. Он инвариантен при замене одной инерциальной системы отсчета на другую, так же, как расстояние инвариантно при поворотах, отражениях и сдвигах начала координат в евклидовом пространстве. Роль, аналогичную роли вращений координат в случае евклидова пространства, играют для пространства Минковского преобразования Лоренца. Квадрат интервала аналогичен квадрату расстояния в евклидовом пространстве. В отличие от последнего квадрат интервала не всегда положителен, также между различными событиями интервал может быть равен нулю.

Инвариантность интервала между событиями.

В дорелятивистской физике пространство и время считались независимыми друг от друга. Расстояние между двумя точками и время между двумя событиями считались постоянными, независимо от системы отсчета, т.е. эти величины были инвариантными при переходе от одной системы к другой. В релятивистской физике появилась зависимость между временем и пространством и остался лишь один пространственно-временной инвариант :

Его можно получиить применив преобразования Лоренца.

Вводим переменную , теперь время как бы имеет те же единицы измерения, что и расстояние и можно записать

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи и безотносительно к свойствам движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время - никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего их связь остается невыявленной. Современная концепция физического пространства - времени значительно обогатила наши естественно-научные представления, которые стали ближе к действительности. Поэтому знакомство с ними мы начнем с теории пространства - времени в том виде, как она представлена в современной физике. Предварительно, однако, напомним некоторые положения, относящиеся к классической механике Галилея

3.1. Принцип относительности в классической механике

Впервые этот принцип был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Для его понимания нам потребуется ввести понятие системы отсчета, иликоординат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета. С этим телом связана соответствующая система координат, например, привычная нам декартова система. На плоскости движение тела или материальной точки определяется двумя координатами: абсциссойх, показывающей расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси, и ординатойу, измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси. В пространстве к этим координатам добавляется третья координатаz.

Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что для них выполняетсяпринцип относительности.

В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формой, или, как принято говорить в науке, они являются ковариантными. Действительно, два разных наблюдателя, находящихся в инерциальных системах, не заметят в них никаких изменений.

3.2. Специальная теория относительности и ее роль в науке

Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждении, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указывает на два аргумента, которые свидетельствовали в пользу всеобщности принципа относительности.

Этот принцип с большой точностью выполняется в механике, и поэтому можно было надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике.

Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе. Например, в системе отсчета, связанной с движущимся вагоном, механические процессы описывались бы сложнее, чем в системе, отнесенной к железнодорожному полотну. Еще более показателен пример, если рассматривается движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Если бы принцип относительности в данном случае не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентировки Земли. Ничего подобного, т.е. физической неравноценности различных направлений, не обнаружено. Однако здесь возникает кажущаяся несовместимость принципа относительности с хорошо установленным принципом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает дилемма: отказ либо от принципа постоянства скорости света, либо от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и однозначно, что отказ от него был бы явно неоправданным и к тому же связан с чрезмерным усложнением описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.

Обратимся к мысленному эксперименту. Предположим, что по рельсам движется железнодорожный вагон со скоростью v, в направлении движения которого посылается световой луч со скоростью с. Процесс распространения света, как и любой физический процесс, определяется по отношению к некоторой системе отсчета. В нашем примере такой системой будет полотно дороги. Спрашивается, какова будет скорость света относительно движущегося вагона? Легко подсчитать, что она рав-наw = с -, т. е. разности скорости света по отношению к полотну дороги и к вагону. Выходит, что она меньше постоянного ее значения, а это противоречит принципу относительности, согласно которому физические процессы происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета, какими являются железнодорожное полотно и равномерно прямолинейно движущийся вагон. Однако это противоречие является кажущимся, потому что на самом деле скорость света не зависит от того, движется ли источник света или покоится.

В действительности, как показал А. Эйштейн:

Кажущееся противоречие принципа относительности закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась "на две ничем не оправданные гипотезы":

Промежуток времени между двумя событиями не зависит от состояния движения тела отсчета;

Пространственное расстояние между двумя точками твердого тела не зависит от состояния движения тела отсчета.

Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными, гипотез классическая механика молчаливо признавала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т. е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходило, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну секунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми. И хотя эти предположения с точки зрения обыденного сознания и так называемого здравого смысла кажутся само собой очевидными, тем не менее они не согласуются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относительности.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времен, то уравнения преобразования будут иметь следующий вид:

y=y; (3.1)

Эти уравнения часто называют преобразованиями Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворять также требованию постоянства скорости света, то они описываются уравнениями Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853-1928). Когда одна система отсчета движется относительно другой равномерно прямолинейно вдоль оси абсцисс х, тогда координаты и время в движущейся системе выражаются уравнениями:

y=y, (3.2)

Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что движущаяся твердая линейка будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется. В самом деле, пусть начало линейки находится в начале координат и ее абсцисса х = 0, а конецх = 1. Чтобы найти длину линейки относительно неподвижной системы отсчетаК, воспользуемся первым уравнением преобразования Лоренца:

х (начало линейки) =
,

х (конец линейки) =
.

Таким образом, если в системе отсчета К длина линейки равна 1, скажем, 1 метру, то в системеК* она составит
, поскольку линейка движется со скоростью в направлении ее длины.

Нетрудно также установить связь между преобразованиями Лоренца и Галилея. Если принять скорость света бесконечно большой, то при подстановке ее в уравнения Лоренца последние переходят в уравнения Галилея. Но специальная теория, как известно, постулирует постоянство скорости света и, следовательно, не допускает движений со сверхсветовой скоростью, которая считается предельной для всех движений. Этот постулат, как отмечалось выше, следует из уравнений Максвелла. Для того чтобы гарантировать, что принцип относительности имеет общий характер, т.е. законы электромагнитных процессов имеют одинаковую форму для инерциальных систем, Эйнштейну пришлось отказаться от галилеевских преобразований и принять преобразования Лоренца.

Специальная теория относительности возникла из электродинамики и мало чем изменила ее содержание, но зато значительно упростила ее теоретическую конструкцию, т. е. вывод законов и, самое главное, уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе. Однако чтобы согласоваться с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно 8 км/с, поправка к массе составит около одной двухмиллиардной ее части.

Во втором законе Ньютона (F =та) масса считалась постоянной, в теории относительности она зависит от скорости движения и выражается формулой:

Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно растет и в пределе приближается к бесконечности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны. Движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере электронов, а затем и других элементарных частиц. Тщательно поставленные эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания теории об увеличении их массы с возрастанием скорости.

Тема 4. Теория относительности. Принципы и концепции описания природы. Симметрия пространства и времени.

Лекция 4.

1.Принципы относительности.

2.Пространство, время.

1.Принципы относительности.

В общем, философском смысле относительность каких-либо явлений означает отсутствие абсолютных, непреодолимых границ между ними. Различие между относительными системами не абсолютно, включает момент тождества между ними, пред­полагает тождественность их в определенном отношении.

Га­лилей первым установил относительность механического движения в его отношении к механическому же покою, показав, что покой тождествен равномерному (без ускорения) и прямо­линейному перемещению тел относительно друг друга. Тела, находящиеся в таком состоянии, называются инерциальными системами отсчета. Смысл принципа относительности Гали­лея состоит в следующем: законы механики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах, т.е. все механические процессы в инерциальных системах протекают одинаково. В та­ких системах пространственно-временные свойства тел (их раз­меры, расстояния, время их существования, временные промежутки между ними) не зависят от скорости их движения, от того, находятся они в движении или нет. Но скорость их дви­жения для разных систем отсчета выражается по-разному: ско­рость движения внутри системы отсчета алгебраически склады­вается (складывается или вычитается) со скоростью перемещения систем отсчета относительно друг друга. Об этом обычно говорят так: в механике Галилея-Ньютона относительной величиной является только скорость. Здесь относительность означает уже не тождество, а различие сравниваемых величин. Это тоже надо иметь в виду.

Трудами X. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского создана в 1905-1908 гг.. специальная теория относительности (СТО).

В основе этой теории лежат преобразования Лоренца . По этой теории механический принцип относительности Галилея в применении его к описанию распространения электромагнитных волн преобразуется в общефизический. Это осуществлено путем дополнения принципа относительности принципом постоянства скорости света. Созда­ние СТО - пример перехода к более общей теории не путем абстрагирования и упрощения, а методом конкретизации, обогащения содержания теории.

В механике Галилея-Ньютона скорости движения тел относительно друг друга складываются алгебраически. Точные опыты Майкельсона в 80-х годах XIX в. показали, что при распространении электромагнитных волн скорости не суммируются. Например, если вдоль направления движения поезда, скоростью которого у р послать световой сигнал со скоростью к 2 , близкой к скорости света в вакууме, то скорость перемещения сигнала по отношению к платформе оказывается меньше суммы v, + У 2 и вообще не может превышать скорость света в вакууме. Скорость распространения светового сигнала не зависит от ско­рости движения источника света. Этот факт вступил в проти­воречие с принципом относительности Галилея.

Но авторы СТО не отказались от принципа относительнос­ти, а, напротив, придали ему более общий вид. При этом потребовалось коренным образом преобразовать понимание самих пространства и времени, одним словом, создать принци­пиально новую теорию изменения пространственно-временных отношений между объектами.

В теории относительности применяются лоренцевы преобразования координат:

И

Пространственные и временные координаты в СТО зависят друг от друга. Длина отрезка в направлении движения сокращается:

,

а ход времени замедляется (т.е. дли­тельность процессов в движущейся системе по сравнению с покоящейся системой возрастает:

Один из создателей СТО Г. Минковский углубил понимание неразрывности пространства и времени, показав, что в своем единстве они абсолютны, независимы от системы отсчета. Абсолютный интервал Минковского dS 2 = dx 2 + dy 2 + dz 2 – c 2 t 2 объединяющий три пространственные и одну временною координаты, не зависит от системы отсчета, и в любой из них име­ет одно и то же значение.

Таким образом, если в механике Галилея-Ньютона отно­сительной была только скорость, то в СТО относительными предстали также линейные размеры объектов, длительность и одновременность процессов. Если в классической механике про­странство и время были независимы друг от друга, то в СТО они преобразовались в единое пространство-время. Причем интервал между двумя событиями в этом четырехмерном про­странстве-времени остается неизменным при переходе от од­ной инерциальной системы к другой.

Общая теория относительности (ОТО) была создана через 10 лет после СТО. По существу это - новая теория тяготения, более общая и глубокая, чем ньютоновская. В ОТО установ­лено, что метрические свойства определяются распределением и взаимодействием тяготеющих масс, а силы тяготения зави­сят от свойств пространства. В ОТО поставлены фундамен­тальные проблемы: конечности-бесконечности пространства и времени, соотношения материи, движения, пространства и времени.

Специальная и общая теории относительности первыми оз­наменовали переход от классической физики к неклассической, от веками установившихся представлений о веществе, движении, пространстве и времени к принципиально новым теоретико-методологическим положениям и новой структуре всей физики.

Искривле­ние пространства-времени в общей теории относительности

В специальной теории относительности Эйнштейна принцип относительности формулируется в более общем виде: не только механические, но все физические процессы в инерциальных системах протекают одинаково. В данной теории прин­цип относительности неразрывно связан с другим: принципом постоянства скорости света в вакууме, независимости ее от движения источника света. Подчеркивая момент тождества инерциальных систем, теория Эйнштейна акцентирует внима­ние на зависимости от них фундаментальных свойств пространства и времени, а также их зависимости от скорости движения объектов. Относительными (в смысле изменяющимися, разли­чающимися при переходе от одной системы отсчета к другой) здесь оказываются и размеры тел, и длительность их существования, и одновременность или разновременность событий.

Общая теория относительности утверждает одинаковость законов природы не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах отсчета. Но для соблюдения этого потребовалось учесть зависимость свойств пространства и времени не толь­ко от скорости их перемещения, но и от более глубоких материальных взаимодействий, от массы тел и создаваемых ими гравитационных полей. В общей теории относительности ис пользуется уже не привычная нам геометрия Евклида, а другие геометрии с понятиями искривления пространства под действи ем полей тяготения, замедления хода времени в сильных гра­витационных полях. Развитие физики демонстрирует, что бо­лее глубокое понимание единства мира, тождественности его проявлений достигается одновременно с раскрытием их глубочайших, не только количественных, но и самых фундаментальных качественных различий.

2.Пространство, время.

Постулаты специальной теории относительности (СТО) разру­шили представления классической физики. Созданная Ньютоном ме­ханика рассматривала пространство и время как две независимые аб­солютные величины, в которых разыгрываются физические процес­сы. Постулаты СТО вынуждают связать воедино пространство и вре­мя. Именно такая взаимосвязь позволяет получить математическое описание перехода между разными движущимися системами коорди­нат. Так как в теории относительности рассматриваются явления, протекающие с околосветовыми скоростями, то связь пространства и времени становится заметной исключительно при этих скоростях.

В школьном курсе физики использовались преобразования Га­лилея, приводящие к сложению скоростей, в СТО такие преобразова­ния несколько сложнее. Они называются преобразованиями Лоренца, по имени ученого, предложившего их. При скоростях много меньше световых преобразования Лоренца могут быть заменены преобразо­ваниями Галилея (напомним, что это проявление принципа соответ­ствия Бора).

Выше была рассмотрена относительность одновременности со­бытий. Привычные для нас представления о расстояниях и времен­ных промежутках также являются относительными относительно движущихся систем координат. Да простят меня читатели за «двой­ную» относительность. Дело в том, что в широких слоях слово «отно­сительность» стало ординарным. «Все в мире относительно», - слы­шали, наверное? Так вот, относительность может быть только отно-

сительно чего-то, а не сама по себе. Выражение: «Я получаю зарплату больше» - бессмысленно, если не связать его с суммой или челове­ком.

Привычная «экономия слов» порождает путаницу в умах людей, далеких от физики. Вели покоящийся наблюдатель станет измерять размеры тела, двигающегося с околосветовой скоростью, то в на­правлении движения тело получится короче первоначального разме­ра. Данный результат вытекает из математических формул преобра­зований Лоренца. Дело в том, что измерение будет проводиться с по-мощью света. Но свет распространяется с постоянной скоростью не­зависимо от движущихся или покоящихся систем координат (наблю­дателей). Если процессы не будут замедляться, а размеры уменьшать­ся, то скорость света для неподвижного наблюдателя будет склады­ваться со скоростью движущейся системы и в целом превзойдет ско­рость света. Таким образом, будет нарушен второй постулат СТО. Для его сохранения необходимо, чтобы для неподвижного наблюда­теля процессы, происходящие в движущейся системе, происходили медленнее, а сам движущийся объект сокращался в направлении

движения. Но наблюдатель, расположенный в самой движущейся системе, никакого сокращения или замедления не обнаружит. (Отно­сительно неподвижного наблюдателя сокращение и замедление будут происходить, а относительно наблюдателя в этой движущейся систе­ме все останется неизменным.) В противном случае будет нарушен первый постулат Эйнштейна, в соответствии с которым все процессы должны протекать одинаково. Таким образом, время и пространство оказываются взаимосвязанными.

В первую очередь распространялся на механические системы. Он гласил, что никакие механические опыты не позволяют определить, находится ли система в состоянии покоя или прямолинейно и равномерно движется. Другими словами, при выполнении в различных инерциальных системах координат (с действующими одинаковых механических опытов, результаты будут аналогичными.

Галилей подметил, что механика движений, а точнее столкновений, ударов, полета снарядов и других явлений дает одни и те же результаты: как в равномерно и прямолинейно движущихся лабораториях, так и в находящихся в покое.

Пояснить данный механический принцип относительности можно на следующем примере. Допустим, что один автомобиль проезжает возле другого без всяких толчков, то есть с постоянной скоростью, равномерно. А все вокруг окутано таким густым плотным туманом, что рядом совсем ничего не видно. Вопрос звучит таким образом: могут ли находящиеся в автомобилях пассажиры определить, который из них движется? Можно ли им помочь, производя эксперименты по механике?

Оказывается, что в данном случае пассажиры могут наблюдать лишь относительное движение. что все законы движения и правила разработаны с помощью движущихся лабораторий, они не обнаруживают, «не чувствуют» на себе никакого влияния данного движения. Принцип относительности также указывает на то, что никакие механические опыты не позволят обнаружить прямолинейного системы отсчета относительно звезд и Солнца. Однако при ускоренном движении системы отсчета относительно звезд и Солнца оказывается влияние на результаты опытов.

Галилеевый принцип относительности в механике заслуживает особого внимания. Ни одной из галилеевых систем нельзя отдать предпочтения в принципе, несмотря на то, что с практической точки целесообразно считать ту или иную систему отсчета предпочтительной в зависимости от ситуации.

Так, для едущего в автомобиле пассажира система координат, которая связана с машиной, будет являться системой отсчета более естественной, чем та, которая связана с дорогой. А последняя система, в свою очередь, станет более удобной для человека, наблюдающего за движением автомобиля, стоя возле дороги. Различные галилеевые системы имеют принципиальную равноценность, которая выражена в том, что для перехода между системами существуют одинаковые формулы, а переменной величиной выступает лишь значение относительной скорости.

Данный принцип относительности рассматривается с точки зрения кинематики, однако подобная равноценность различных систем характерна и для динамики. Это и является классическим принципом относительности.

Существует также и специальный принцип, который распространяется на любые а не только на Сущность его заключается в том, что для любых систем координат, которые движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, любые физические явления протекают одинаково, а любые физические опыты дают аналогичный результат.

Данное положение определяют как специальный принцип относительности, поскольку оно относится к специальным случаям прямолинейного равномерного движения. В подобном случае все законы выглядят одинаково как для систем координат, относящихся к звездам, так и для любых других систем, которые движутся равномерно и прямолинейно относительно звезд.

Существует также и более общий принцип, который охватывает случаи систем координат с ускоренным движением. Он носит название общий принцип относительности.