Релятивистская концепция

Раздел 4. Пространство и время в современной научной картине мира

Тема 1. Пространство и время. Основные свойства движущей материи

Пространство и время в философии

Представления о пространстве и времени сложились в виде двух противоположных концепций, названных впоследствии концепциями Демокрита-Ньютона (существование пространства как некоторой пустоты, не связанной с материальными предметами. считалось что время - самостоятельная сущность, не связанная с материей и пространством В науке до конца XIX и начала ХХ в. господствовала первая концепция) Аристотеля-Лейбница. (С точки зрения 2 концепции, не мыслились пространство и время, оторванные от вещей.. Всеобщие атрибуты движущейся материи - пространство и время. Вопрос об отношении времени и пространства к материи прежде всего интересует философию. , философы-идеалисты рассматривают время и пространство как формы чувственного созерцания (Кант), то как формы индивидуального сознания (Беркли), то как категорию абсолютного духа ( Гегель). философы-материалисты подчеркивают объективность времени и пространства. Древние философы (Демокрит, Эпикур), основывались на атомистических учениях, естествоиспытатели вплоть до 20-го века сравнивали пространство с пустотой (считая его одинаковым и неподвижным всегда), а время - как такое, которое протекает равномерно. Современные ученые - физики опровергли представление о пространстве как о пустоте, и о времени, как о едином для Вселенной. Благодаря своей теории относительности Эйнштейн показал, что время и пространство существуют не сами по себе, а находятся в тесной взаимосвязи, теряя свою самостоятельность и выступая при этом как стороны единого целого. Теория относительности доказала, что течение времени и протяженность тел зависят от скорости движения этих тел. Это определение диалектического материализма. материя, движение, время и пространство неотъемлемы друг от друга. Как и материя, пространство и время объективны, независимы от сознания. Время и прстранство обладают общими свойствами. К ним относятся: - объективность и независимость от сознания человека; - их абсолютность как атрибутов материи; - неразрывная связь друг с другом и движением; - единство прерывного и непрерывного в их структуре; - зависимость от процессов развития и структурных изменений в материальных системах; - количественная и качественная бесконечность. Различают монологические (направление, непрерывность, необратимость) и метрические (связанные с измерениями) свойства пространства и времени.

Наряду с общими характеристиками пространства и времени, им свойственны некоторые особенности, которые характеризуют их как различные атрибуты материи, хотя и тесно связанные между собой. всеобщие свойства пространства:

- протяженность;

- связность и непрерывность;

- относительная прерывность, т.е. раздельное существование материальных тел, каждому из которых присущи свои границы и размеры.

Общее свойство пространства - это трехмерность. Кроме всеобщих свойств пространство обладает и локальными свойствами. Пространство одной материальной системы непрерывно переходит в пространство другой системы, поэтому оно практически незаметно, отсюда его неисчерпаемость как в количественном так и в качественном отношении. Существование каждого тела имеет начало и конец, поэтому время существования этого тела конечно и прерывно. Но при этом материя не возникает из ничего и не уничтожается, а только меняет формы своего бытия. Отсутствие разрывов между моментами и интервалами времени характеризует непрерывность времени. Время одномерно, ассиметрично, необратимо и направлено всегда от прошлого к будущему. Специфические свойства времени:

- конкретные периоды существования тел;

- одновременность событий (они всегда относительны);

- ритм процессов, скорость изменения состояний, темп развития процессов, и др.

Психологическое время связано с восприятием и переживанием времени индивидом.

 

 

Релятивистские взгляды на пространство и время.

Релятивистская концепция

- о пространстве и времени и пространственно-временном континууме;

- об относительности пространственно-временных свойств материальных объектов и их массы в зависимости от скорости механического движения вещественных объектов;

- об относительности пространственно-временных свойств материальных объектов и их массы в зависимости от близости тяготеющих масс;

- об ограничении скорости движения скоростью света в вакууме и ее инвариантности;

- об инвариантности пространственно-временного интервала

Релятивистские представления о материи и ее движении формировались под влиянием научной теории относительности, появившейся в начале XX в. благодаря трудам, в первую очередь, такого ученого, как германско-швейцарско-американский физик-теоретик Альб'ерт Эйншт'ейн. Они до сих пор сохраняют свою актуальность и не утратили ни своей научной, ни культурной ценности. Релятивистские представления, в отличие от механических, распространяются на любые возможные скорости движения вещества (до скорости распространения света в вакууме – без малого 300 000 км/с).

Пространство и время неотделимы от материи и ее движения, относятся к числу важнейших ее атрибутов (основных, универсальных свойств, или признаков, качеств). Без пространства и времени (пространственных и временных свойств) невозможно существование движущейся материи, также как и без движущейся материи или вне ее, отдельно от нее, независимо от нее невозможно существование пространства и времени. Таким образом, пространство и время принято считать всеобщими универсальными формами существования и движения материи.

Пространство характеризует протяженность материи. Когда характеризуется протяженность материи или каких-либо ее отдельных материальных объектов, подразумевается их пространственное свойство.

Время характеризует движение (изменение) материи, движение любых материальных объектов в виде последовательности сменяющих друг друга состояний. Представление о времени и само понятие времени имеют смысл лишь постольку, поскольку материя находится в непрекращающемся движении.

Таким образом, любой материальный объект имеет пространственное и временное измерение.

Пространство и время тесным образом связаны не только с движущейся материей, являясь формами ее существования и движения, но и друг с другом. В этом смысле непрерывающаяся никакой пустотой материя, переходящая из одной своей формы в другую, характеризуется единым пространством-временем в виде пространственно-временного континуума, т. е. пространственно-временной непрерывности. Пространство и время, по существу, проявляются как разные стороны или составляющие некоей целостной, единой сущности в виде пространственно-временного континуума. И эта сущность в виде пространственно-временного континуума и есть сама движущаяся материя.

Пространство и время не только неотделимо связаны с материей, но и их свойства зависят от свойств материальных объектов.

Фундаментальные свойства пространства и времени зависят от скорости механического движения вещественных объектов. При этом проявляются релятивистские эффекты в виде относительности (в смысле изменчивости, различия при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую) одновременности событий, пространственных и временных промежутков, а также еще и массы тел.

Относительность одновременности событий проявляется в том, что события, одновременные для одного наблюдателя, находящегося в одной инерциальной системе отсчета, могут быть разновременными для другого, находящегося в другой инерциальной системе отсчета. Проиллюстрируем это утверждение следующим примером (рис. 5).

Рис. 5 Иллюстрация относительности одновременности и разновременности событий для разных инерциальных систем отсчета:

1 и 2 – лампочки,

А – неподвижный наблюдатель,

B и С – наблюдатели, смещающиеся прямолинейно и равномерно с мгновенной скоростью ῡ, но в противоположных направлениях

Две лампочки, расположенные друг от друга на каком-то (достаточно большом) расстоянии, включаются одновременно (нажатием одной кнопки, расположенной на равноудаленном от лампочек расстоянии). Неподвижный наблюдатель, находящийся на равном расстоянии от двух лампочек, фиксирует одновременность их засвечивания. В то же время смещающийся в направлении, параллельном линии, соединяющей обе лампочки, на каком-то (достаточно большом) удалении от лампочек прямолинейно и равномерно наблюдатель, для которого лампочки включили, когда он был в точке, равноудаленной от лампочек, будет утверждать, что одна из лампочек засветилась раньше другой. И действительно, пока свет от лампочек распространялся с конечной скоростью, наблюдатель успел переместиться в точку, расстояние от которой до лампочек уже разное, и свет от одной лампочки должен пройти меньшее расстояние, чем свет от другой лампочки. Причем последовательность засвечивания лампочек для движущегося наблюдателя будет зависеть от направления его прямолинейного равномерного движения.

Бессмысленно спрашивать: а как же на самом деле? И то и другое – на самом деле. Несмотря на то, что картины происходящего для разных наблюдателей различны, они отражают одну и ту же реальность, но, так сказать, с разных сторон, в зависимости от выбранной инерциальной системы отсчета.

Относительность одновременности приводит к относительности пространственных промежутков, т. е. к тому, что для разных наблюдателей (находящихся в разных инерциальных системах отсчета) может быть разным расстояние между одними и теми же телами, а также длина тел. Для наблюдателя, смещающегося с инерциальной системой отсчета с большей скоростью, размеры тел и расстояния между ними по направлению смещения будут меньшими по сравнению с наблюдателем, смещающимся с другой инерциальной системой отсчета, но с меньшей скоростью. Например, для наблюдателя, мчащегося в поезде прямолинейно и равномерно, длина перрона будет короче, чем для наблюдателя, стоящего неподвижно у перрона. Получается, что с увеличением скорости пространство в направлении смещения сжимается. Для привычных нам скоростей релятивистское сокращение длин и расстояний незаметно. Но этот релятивистский эффект сокращения длин и расстояний становится существенным для скоростей, близких к скорости света.

Относительность одновременности приводит к относительности временных промежутков, т. е. к тому, что для разных наблюдателей (находящихся в разных инерциальных системах отсчета) может быть разным темп хода времени (сменяющих друг друга событий в виде состояний материальных тел). Наблюдатель, перемещающийся с инерциальной системой отсчета с большей скоростью, обнаружит, что временные промежутки между сменяющими друг друга событиями увеличились, и все процессы протекают медленнее по сравнению с другим наблюдателем, перемещающимся с другой инерциальной системой отсчета, но с меньшей скоростью. Так, например, с точки зрения дежурного по железнодорожной станции, между погасшим желтым и засветившимся зеленым сигналами светофора прошел небольшой временной интервал, а с точки зрения машиниста мчащегося поезда, временной интервал между этими сигналами светофора был более длительным. Это эффект релятивистского замедления времени, становящийся также существенным только для скоростей, близких к скорости света. И опять бессмысленно спрашивать, а как же на самом деле: каждый результат измерения справедлив в той инерциальной системе отсчета, в которой измерение выполнялось. Если можно было бы отправить одного из братьев-близнецов в космическое путешествие на корабле, летящем со скоростью, приближающейся к скорости света, то, вернувшись на Землю, он был бы намного моложе своего брата-близнеца, остававшегося на Земле.

С увеличением скорости связаны не только релятивистские эффекты сжатия пространства и замедления времени, но и релятивистский эффект увеличения массы тел. Для наблюдателя, перемещающегося в инерциальной системе отсчета с большей скоростью, масса тел будет большей, по сравнению с наблюдателем, перемещающимся в другой инерциальной системе отсчета, но с меньшей скоростью. Если бы скорость тела стала бы скоростью света, тогда его масса должна была бы стать бесконечной. Но этого произойти не может. Поэтому вещественные объекты не могут перемещаться со скоростью света. С такой скоростью могут распространяться физические поля с нулевой массой покоя.

Зависимость массы от скорости впервые была установлена в 1901 г. таким ученым, как немецкий физик В'альтер К'ауфман, как совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости в экспериментах по измерению заряда электрона и получению отношения этого заряда к массе.

Таким образом, переход из одной инерциальной системы отсчета в другую эквивалентен изменению «направления взгляда» в едином пространственно-временном континууме, а парадоксальные релятивистские эффекты (в т. ч. парадоксальное сокращение длины и замедление времени) не более загадочны, чем изменение вида здания при обходе вокруг него.

Одно лишь присутствие вещественного объекта в виде тяготеющей массы, порождающей гравитацию, приводит к искривлению пространства и времени, и это искривление пространственно-временного континуума проявляется тем сильнее, чем ближе к тяготеющей массе, чем больше ее значение. А искривление пространственно-временного континуума, в свою очередь, определяет характер механического движения тел.

Искривление пространства сводится к изменению его геометрических свойств, например, искривлению прямых направлений, преобразованию плоскости в выпуклость или вогнутость. В искривленном пространстве две параллельные прямые могут стать сходящимися или расходящимися кривыми, сумма внутренних углов треугольника может быть больше или меньше 180^о. Искривленное пространство представить можно. Например, поверхность шара и есть искривленное двумерное пространство. Роль прямых играют дуги окружностей, центр которых совпадает с центром шара. В таком пространстве нет параллельных прямых, т. к. любые две дуги пересекаются. Сумма внутренних углов треугольника больше 180°.

Искривленное пространство вокруг тяготеющей массы изменяет характер механического движения тел. Например, искусственный спутник Земли обращается вокруг нее потому, что присутствие Земли искривило окружающее пространство настолько, что траектория свободного («по инерции») перемещения спутника из прямой стала замкнутой окружностью или замкнутым эллипсом определенной степени вытянутости в зависимости от скорости. Или Земля обращается вокруг Солнца потому, что присутствие Солнца искривило окружающее пространство настолько, что траектория свободного («по инерции») движения Земли из прямой превратилась в замкнутый эллипс. При достижении первой космической скорости (у самой поверхности Земли 7,9 км/с) космический аппарат, оставаясь в «гравитационной яме» Земли, становится ее искусственным спутником – при выключении двигателей он не упадет на Землю, а будет вращаться вокруг нее по круговой орбите. При достижении второй космической скорости (у самой поверхности Земли 11,2 км/с) космический аппарат сможет выбраться из «гравитационной ямы» Земли, но, оставаясь в «гравитационной яме» Солнца, становится его искусственным спутником – при выключении двигателей он будет вращаться вокруг Солнца по круговой орбите. И только достигнув третьей космической скорости (от 16,6 до 72,8 км/с относительно Земли в зависимости от использования ее орбитальной скорости), космический аппарат сможет выбраться из «гравитационной ямы» Солнца – даже при выключении двигателей он покинет пространство Солнечной системы.

Искривление пространства вблизи тяготеющей массы имеет наблюдательное подтверждение. Например, на фотографиях участка неба, полученных во время полного солнечного затмения в 1919 г. таким ученым, как английский астрофизик 'Артур Ст'энли 'Эддингтон, звезды, расположенные вблизи закрытого Луной Солнца, оказались смещенными в его сторону. И это смещение выражено тем сильнее, чем ближе звезды на фотографии оказались к Солнцу. Такое можно объяснить только тем, что луч света, идущий от далекой звезды прямолинейно, искривляется вблизи массивного Солнца вследствие искривления вокруг него пространства. А чем ближе к Солнцу, тем пространство искривлено сильнее, тем сильнее искривляется луч света от звезды (рис. 6). Кроме того, наблюдаемый еще в XIX в. таким ученым, как французский астроном Урб'ен Жан Жоз'еф Леверь'е, поворот эллипсовидной орбиты Меркурия (в т. ч. прецессия, или смещение, ее перигелия – ближайшей к Солнцу точки орбиты) хорошо объясняется тем, что вблизи Солнца пространство сильно искривлено.

 

Рис. 6 Смещение изображения звезды на фотографии, сделанной во время полного солнечного затмения, в сторону Солнца вследствие искривления пространства в окрестностях Солнца

Искривление времени сводится к изменению его темпа, причем разному в разных точках пространства. Время может замедляться или ускоряться, соответственно удлиняя или сокращая временные интервалы между состояниями материальных объектов. Искривление времени вблизи тяготеющей массы имеет экспериментальное подтверждение. Например, в опытах таких ученых, как американские физики Р'оберт В'ивиан П'аунд и Глен 'Андерсон Р'ебка, выполненных в 1959 г., было зафиксировано уменьшение частоты гамма-лучей при приближении их всего лишь на 22,5 м к поверхности Земли. А уменьшение частоты с приближением к тяготеющей массе означает увеличение временных интервалов между гребнями волны, а это и есть замедление времени.

Вокруг очень массивного, но компактного тела при очень большой плотности вещества искривление пространства-времени становится настолько большим, что оно как бы «замыкается» локально само на себя, отделяя данное тело от остальной части материи и тем самым образуя «черную дыру», которая безвозвратно поглощает материальные объекты (вещество и поля). Из «черной дыры» даже свет не может вырваться. Падение в «черную дыру» вещества и излучения сопровождается их нагреванием до температур в сотни миллионов градусов и выбросом релятивистских струй рентгеновского и гамма излучения. Существование «черных дыр» подтверждается астрономическими наблюдениями с 70 гг. XX в.

Масса, определяющая инерционные свойства тела, и масса, порождающая гравитационное взаимодействие, это одна и та же масса. Причем ее значение увеличивается не только с увеличением скорости механического движения тела, а и с приближением к другой тяготеющей массе.

Неинерциальные системы отсчета, т. е. смещающиеся с ускорением, могут быть при определенных условиях равноправными (неотличимыми никакими опытами) с инерциальными системами отсчета. Ускоренное движение в гравитационном поле физически полностью эквивалентно (неотличимо никакими опытами) с покоем вдали от источников гравитации. Так, находясь внутри воображаемой кабины лифта или космического аппарата невозможно узнать, не выглядывая наружу и не ориентируясь по приборам, падают ли они в гравитационном поле Земли или же находятся в покое вдали от источников гравитации: и в том и в другом случае и наблюдатель, и все незакрепленные предметы, например, будут в состоянии невесомости. А ускоренное движение вдали от источников гравитации физически полностью эквивалентно покою в соответствующем гравитационном поле. Так, находясь внутри воображаемой кабины лифта или космического аппарата невозможно узнать, не выглядывая наружу и не ориентируясь по приборам, движутся ли они вверх с ускорением равным ускорению свободного падения в гравитационном поле Земли, но вдали от него, или же находятся в покое в земном гравитационном поле: и в том и в другом случае и наблюдатель, и все незакрепленные предметы, например, будут стоять на полу, а выпущенный из руки камешек одинаково упадет вертикально вниз (без отклонения). Другие возможные физические эксперименты тоже дадут совершенно одинаковые результаты.

Скорость распространения света в вакууме является предельной скоростью распространения материальных воздействий (без малого 300 000 км/с). Она не может складываться ни с какой другой скоростью, не зависит от скорости движения источника или приемника света, или же наблюдателя, и для всех систем отсчета сохраняется, оказывается постоянной величиной, неизменной, инвариантом.

Независимость скорости света от каких-либо выделенных систем отсчета была доказана, например, в 80-х гг. XIX в. такими учеными, как американские физики Альб'ерт Абрах'ам М'айкельсон и 'Эдвард У'ильямс М'орли, которые в серии опытов пытались выявить изменение скорости распространения света в разных направлениях (например, по ходу вращения Земли – параллельно экватору, а также перпендикулярно – в меридиональном направлении).

Другой важнейший инвариант релятивистских представлений о движущейся материи – пространственно-временной интервал между двумя событиями. В зависимости от выбранной системы отсчета расстояние между двумя точками, в которых произошли события, а также промежуток времени между ними по отдельности могут быть разными, но комбинация, в которой они входят в пространственно-временной интервал, имеет одно и то же значение во всех системах отсчета. Если два события связаны времениподобным интервалом, то найдется такая инерциальная система отсчета, в которой оба события произошли в одной и той же точке пространства. Очевидно, такие события могут быть причинно связаны, т. е. одно может быть причиной другого. Причинно связанные события во всех системах отсчета происходят в одной и той же последовательности: от причины к следствию. Если два события связаны пространственноподобным интервалом, то в этом случае найдется такая система отсчета, в которой события произошли одновременно, но в разных точках пространства, как, например, в случае с лампочками. Такие события могут происходить в произвольной последовательности, определяемой выбором той или иной системы отсчета, и, следовательно, не могут быть причинно связаны.