Что такое пространство и время. Понятие о теории относительности
Для краткости эти тела называют макроскопическими. Для них и была разработана механика, получившая название классической или ньютонианской.
В начале текущего столетия физика проникла в микромир — так условно называется мир атомов и элементарных частиц, т. е. тел, имеющих ничтожно малую массу и движущихся со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Оказалось, что во многих случаях при этом законы классической механики имеют только приближенный характер.
Не укладывались в рамки классической механики и некоторые вновь открытые явления в области макромира, особенно при движении тел с большими скоростями. В связи с этим были созданы две новые более универсальные теории:
- Теория относительности
- Квантовая, или волновая механика.
Любые физические явления и прежде всего движение тел происходят в пространстве и во времени. Поэтому научные представления о пространстве и времени имеют фундаментальное значение для физики.
Пространство и временя в физике
Классическая физика основывалась на представлениях об абсолютных пространстве и времени, введенных в науку Ньютоном. Согласно, Ньютону пространство есть беспредельная пустота, существующая сама по себе, независимо от того, есть ли в ней какие-либо тела или нет.
Пространство имеет три измерения:
- Длину
- Ширину
- Высоту
Оно неподвижно и неизменно, но проницаемо для тел. Через находящиеся в нем тела оно и познается.
Время по Ньютону есть существующая сама по себе бесконечная длительность. Время течет равномерно и безостановочно от прошлого к будущему, независимо от того происходят при этом какие-либо события или не происходят. Однако определенные промежутки времени отличаются по происходящим в них событиям. Время может быть измерено посредством точно повторяющихся в нем материальных процессов, например вращения земли вокруг оси, колебаний маятника и т. п.
Такие представления вполне соответствовали современным Ньютону взглядам на мир, на материю как совокупность тел, состоящих из неделимых частиц (атомов), которые существуют в абсолютных пространстве и времени.
Однако по мере развития физики эти взгляды постепенна обнаруживали свою несостоятельность и, наконец, в начале текущего столетия были заменены новыми представлениями, развитыми в теории относительности, которая была создана А. Эйнштейном (в 1905 г. — специальная часть, в 1915 г. — общая теория).
Что такое теория относительности
Теория относительности представляет собой физическую теорию, рассматривающую с новой точки зрения общие пространственно-временные отношения в материальном мире. Название теории связано с тем, что в ней принцип относительности, установленный в свое время в классической механике, был распространен на любые явления природы.
Напомним, что принцип относительности движения в механике заключается в том, что взаимное перемещение тел в замкнутой системе (т. е. системе, на которую не действуют внешние силы) не зависит от того, находится эта система в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения (системы тел, двигающиеся одна относительно другой равномерно и прямолинейно, называются инерциальными системами).
Из принципа относительности следует, что одно и то же движение тела, происходящее в какой-либо инерциальной системе, будет наблюдаться различно, если наблюдатель с ней связан (т. е. система по отношению к нему неподвижна) и если он от нее не зависим, т. е, сама система двигается по отношению к наблюдателю равномерно и прямолинейно. Можно сказать и более обще: одно и то же движение тела наблюдается различно в различных инерциальных системах.
Пример теории относительности
Например, пассажир Л, сидящий в вагоне двигающегося поезда, наблюдает падение предмета по вертикальной линии, тогда как наблюдатель Б, неподвижный относительно земли, при достаточно большой скорости поезда видит как предмет, падая, описывает кривую, называемую параболой (рис.).
Основное положение теории относительности устанавливает, что равномерное и прямолинейное движение замкнутой материальной системы как целого не влияет на ход любых процессов, происходящих внутри системы, или, что законы природы одинаковы во всех инерциальных системах.
Вторым, не менее важным положением теории относительности является утверждение о постоянстве скорости света: скорость света в вакууме является величиной постоянной, независящей от относительного равномерного и прямолинейного движения источника света и наблюдателя. Или, другими словами, скорость света в вакууме во всех направлениях в любых инерциальных системах одинакова. При этом скорость света в вакууме является максимально возможной в природе скоростью движения тел или скоростью распространения взаимодействия между ними.
На основании этих положений в теории относительности доказывается, например, что промежуток времени между какими-либо двумя событиями зависит от того, в какой инерциальной системе эти события рассматриваются. Например, события, одновременные в одной системе, будут наблюдаться неодновременными в другой и т. д. Течение времени в различных инерциальных системах отличается. Время не является абсолютным, оно связано с материальной системой тел, в которой наблюдается, следовательно, время относительно.
Расстояния между движущимися телами зависят от того, в какой инерциальной системе они наблюдаются. Поэтому и размеры тел в направлении движения в различных инерциальных системах также отличаются. Нет абсолютного пространства, оно связано с материальными объектами, следовательно, пространство относительно.
Связь между временем и пространством
Пространство и время взаимосвязаны и обусловливаются свойствами тел или явлений. Физическую реальность имеет только совокупная пространственно-временная характеристика событий. Она является четырехмерной величиной (три ее координаты х, у, z связаны с пространством, четвертая t— со временем).
Обычно пользуются величиной, которая называется пространственно-временным интервалом и представляет собой пространственно-временную разность между какими-либо двумя событиями. Подобно скорости света величина пространственно-временного интервала одинакова во всех инерциальных системах.
Такой взгляд на пространство и время находится в полном соответствии с положением диалектического материализма о том, что пространство и время есть формы существования материи: «В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени».
Пространство выражает непрерывность или прерывность, ограниченность, или неограниченность полей и тел, их относительные размеры и взаимное расположение. Время характеризует последовательность событий, совместность или отделенность их друг от друга, их относительную длительность.
В теории относительности устанавливается зависимость массы тел от скорости их движения, а также пропорциональность массы и энергии.
Заметим, что все эти положения теории относительности могут быть выражены математическими формулами (за краткостью изложения они здесь не приводятся), а также подтверждаются соответствующими наблюдениями или экспериментами. Однако существенное практическое значение все эти положения имеют только при скоростях движения тел, соизмеримых со скоростью света.
Значение теории относительности
Теория относительности имеет исключительно большое научно-теоретическое значение, так как, во-первых, она дает наиболее правильное решение вопроса о пространстве и времени как физических величинах и, во-вторых, ее законы более точны и универсальны сравнительно с законами классической механики, однако практически она используется пока только в специальных областях физики и техники.
В широкой практике окружающих макротел вполне закономерно пользоваться данными классической механики, так как поправки к ним, которые вносит теория относительности, в данном случае ничтожно малы и учитывать их не имеет никакого смысла.
Статья на тему Пространство и время