Теория отностительности

Для обыденно-житейских представ лений пространство и время нечто привычное , известное и даже в какой-то мере оче видное . Но если задуматься над т ем , что же все-таки пространство и время , то возникают сложные вопросы , напряженно об суждавшиеся в истории философии и естествозн ания . В настоящее время нельзя решить их без опоры на достижения современной наук и . Каждый объект ха р актеризуется своеобразной "упаковкой " входящих в него элементов , их расположенностью относительно др уг друга , и это делает любые объекты протяженными . Кроме того , каждый объект зани мает какое-то место среди других объекто в , граничит с ними . Все эти предельно общие свойства , выражающие структурную организацию материального мира , - свойства о бъектов быть протяженными , занимать место сре ди других , граничить с другими объектами , - выступает к а к наиболее общие х арактеристики пространства . Если их абстрагировать из действительности , отделить от самих материальн ых объектов , то мы получим представление о пространстве как таковом . К универсальным свойствам пространства можно отнести протяженн ость , единство пре - рывности и непрер ывности. Понятие пространства имеет смысл лиш ь постольку , поскольку сама материя дифференц ирована , структурирована . Если бы мир не и мел сложной структуры , если бы он не р асчленялся на предметы , а эти предметы в свою очередь не членились на эле - менты , связанные между собой , то понятие пространства не имело бы смысла . Материальный мир состоит не только из структурно расчле - ненных объектов . Эти объекты находя тся в движении и развитии , они представляют собой процессы , которые развертываются по определенным этапам , стадиям . Одна стадия по сравнению с дру гой может поступать быстрее или позже . Так ие особенности процессов характеризуются понятие м длительности . Сравнение различных д лительностей может стать основой для количес твенных мер , выражающих скорость развертывания процессов , их ритм , темп . Если эти харак теристики абстрагировать от самих процессов и рассмотреть отношение длительностей как нек оторые са- мостоятельные признаки процессов , то мы получаем представление о времени как таковом . Всеобщие свойства времени - дли тельность , неповторимость необратимость. Представление о времени и понятие времени имеет смысл лишь постольку , поскол ь ку мир находится в состоянии движения и развития ; если бы материя была вне движения , понятие времени не имело бы смысла. Категории пространства и времени выс тупают как предельно общие абстракции , в которых схватывается структурная организова нн ость и изменчивость бытия . Пространство и время - это формы бытия материи , и только в абстракции мы можем отделить их от материального мира. В истории философии существовали ра зличные концепции пространства и времени . Их можно разбит ь на два больших клас са : субстанциальные и реляционные . Субстанциальная концепция рассматривает пространство и время как особые сущности , которые существуют с ами по себе , независимо от материальных о бъектов . Они как бы арена , на которой находятся объек т ы и проходят разли чные процессы . Подобную точку зрения отстаива л , например , И . Ньютон . Встречалась она такж е в древней филосо- фии , например , представление древнегреческих философов-анатомистов (Демокрит , Эпикура ) о пусто те неявно предполагало концепци ю субстанц иальности. Точка зрения на субстанциальный хара ктер пространства может разделяться как матер иалистами , так и идеалистами . Это зависит от того , как решается вопрос об объективн ости пространства . Если оно понимается как объективно существующая ре-альность , то эт о точка зрения материализма . Например , метафиз ические материалисты XVII - XVIII столетий понимали пространство как объективно существующую независимо от человека , его сознания субстанцию , которая не зависит от материи . Ид еалисты тоже могут представлять пространство как особую субстанцию , но порожденную сознанием , как с воеобразное состояние субстанции духа , его мо дификацию. В противовес субстанциальному подходу в истории философии развивалась реляционная кон цепция пространства и времени . Одним из наиболее ярких представителей ее был Г.В.Лейбниц , полемизировавший с Ньютоном по вопросам о сущности пространства и времени . Лейбниц настаивал на том , что пространст во и время - это особые отношения между объектами и процессами и вне их не сущест вуют . Реляционная концепция тоже может быть как материалистической , так и идеалистической . Лейбниц эту концепцию развивал с позици и идеализма . С позиций материалистической рел яционной концепции подходит к рассмотрению п р остранства и времени диалектический материализм . Он считает их объективными , не зависящими от человека и человечества формам и бытия материи , но при этом подчеркивает их неразрывную связь с самой материей и ее движением. Решающую роль в коренно м измен ении представлений людей о пространстве и времени сыграл опыт Майкельсона-Морли . Они с помощью интерферометра измеряли не саму скорость света , а отношение значений скоросте й света в двух взаимно перпендикулярных н аправлениях . Эти опыты многократно п о вторялись , но оказалось , что скорость света в системе отсчета , связанной с землей , п о всем направлениям одинакова . Результаты опы та противоречили гипотезе о том , что свет распространяется посредством эфира . Другие о пыты , которые должны были обнаружить дв и жение Земли относительно эфира с помощью уже не оптических , а электромагни тных явлений (опыты Траутона и Нобля ). Дава ли результаты , согласующиеся с опытами Майкел ьсона и Морли . Следовательно , движение Земли никак не сказывается на скорости распростр анения света , и классический закон с ложения в данном случае не выполняется . И достижения современной науки свидетельс твуют о предпочтительности реляционного материал истического подхода к пониманию пространства и времени . В этом плане в первую очере дь надо выделить достижения физики ХХ века . Специальная теория относительности , построение которой было зав ершено А.Эйнштейном в 1905 году , доказала , что в реальном физическом мире пространственные и временные интервалы меняются при переходе одной сист емы отсчета к другой. Великий ученый-физик Альберт Эйнштейн (1879-1955) до 1933г . Жил в Герм ании , затем в США . Член многих академий наук , почетный член Академии наук СССР , лауреат Нобелевской премии 1921г . Выдающийся вкл ад Эйнштейна в науку - создание те ории относительности . В 1905г . им была опубликова на в почти законченном виде специальная , и ли частичная , теория относительности. В 1907-1916 гг . создана общая теори я относительности , которая объединяет современное учение о пространстве и времени с те орией тяготения . По масштабу переворота , совершенного Эйнштейном в физике , его часто сравнивают с Ньютоном. Противоречия между теорией и практикой , возникшие в результате опыта Майкельсона-Морли , были разрешены ученым в р аботе «К электродинамике движущихся тел » . Он показал , что законы классической меха ники и преобразования Галилея верны только тогда , когда мы имеем дело с небольшими скоростями движения тел и считаем , что скорость распространения сигналов бесконечна . О днако в случае движения тел со скоростями, близкими к скорости света в ва кууме , законы классической механики должны бы ть заменены другими , более общими , учитывающим и особенности такого движения , т.е . законами релятивистской механики . В основе этих зако нов лежат новые представления о пространстве и времени . Старая физика считала , что если сис темы отсчета движутся равномерно и прямолиней но относительно друг друга ( инерциальное движ ение ), то пространственные интервалы ( расстояние между двумя близлежащими точками ), и времен ные интервалы ( длительность между двумя событиями ) не меняются. Теория относительности эти представления опровергла , вернее , показала их ограниченную применяемость . Оказалось , что когда речь идет о движениях со скоростями , близким к скоростям света , то и зменение простра нственных и временных интервалов становится з аметным . При увеличении относительной скорости движения системы отсчета пространственные инте рвалы сокращаются , а временные растягиваются. Теория относительности обнаружила еще одн у существенную сторону пространственно - временных отношений материального мира . Она выявила глубокую связь между пространством и временем , показав , что в природе су ществует единое пространство-время , а отдельно пространство и отдельно время высту п ают как его своеобразные проекции. Для описания и понимания мира не обходима их совместность , что легко установит ь , анализирую даже ситуации повседневной жизн и . В самом деле , чтобы описать какое-либо событие , недостаточно определить только ме сто , где оно происходило , важно еще указать время , когда оно происходило. Пересмотр представлений о пространстве и времени привел к созданию в начале XX в . специальной теории относительности . Термин «сп ециальная» подчеркивает то обстоятельство , что эта теория рассматривает явления , происход ящие только в инерциальных системах отсчета . С точки зрения философии , специальная те ория относительности раскрыла внутреннюю связь между собой пространства и времени как форм бытия материи. В основу теории легло пол ожение , согласно которому никака я энергия , никакой сигнал не может распрос траняться со скоростью , превышающей скорость света в вакууме , а скорость света в ва кууме постоянна и не зависит от направлен ия распространения. Это положения принято формулировать в виде двух постулатов : принципа относительн ости и принципа постоянства скорости света . Первый постулат является распространением механического принципа относительности Галилея н а любые физические явления и формулируется так : в любой инерциал ьной системе лю бые физические явления при их тождественной постановке происходят од инаково ; все законы природы и уравнения , и х описывающие , инвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к друго й . Из первого постулата следует , что ника кими опытами нельзя определить , покоится ли данная инерциальная система или движется прямолинейно и равномерно , т.е . все инерци альные системы отсчета по своим физическим свойствам эквивалентны друг другу . Второй постулат утверждает : скорость света в вакууме является величи ной постоянной и одинаково й во всех инерциальных системах отсчета , о на не зависит от движения источника света и наблюдателя. Этот постулат труден д ля понимания . Он требует , чтобы в одном и том же эксперименте два наблюдателя , находящиеся в двух разных инер циальных системах (движущихся относительно друг друга ), получали одно и то же значение скорост и света в вакууме . Скорость света в ва кууме является максимально возможной скоростью передачи сигнала . Значит , если все инерциаль ные системы равноправны , то и ма к симальная скорость передачи сигнала в них должна быть одинакова . Философские выводы из специальной тео рии относительности свидетельствуют в пользу материалистического реляционного рассмотрения прост ранства и времени : хотя пространство и вр емя объективны , их свойства зависят от характера движения ма-терии , связаны с дв ижущейся материей. Идеи специальной теории относительности получили дальнейшее развитие и конкретизаци ю в общей теории относительности , которая была создана Эйнш тейном в 1916, году . В этой теории было показано , что геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения , которое , в свою очередь , опреде лено взаимным расположением тяготеющих масс . Вблизи больших тяготеющих масс происходит ис кривле н ие пространства (его отклонение от евклидовой метрики ) и замедление хода времени . Здесь пространство , время , материя и движение оказываются органично сплавленными. Следует отметить , что изменение скорости в релятивистской механике влечет за собой измене ние массы , а , следовательно , и полной энергии , т.е . между массой и энерг ией существует взаимосвязь . Это связь была установлена Эйнштейном : Е = m c . Физический смысл этого соотношения заключается в следующем : существует принципиальная возможность перехода м ат ериальных объектов , имеющих массу покоя , в электромагнитное излучение , не имеющее массы покоя , при этом выполняется закон с охранения энергии . Классическим примером этого является аннигиляция электрон-позитронной пары и , наоборот , образование электрон-пози т р он из квантов электромагнитного излучения . Эт о соотношение является важнейшим для ядерной физики и физики элементарных частиц . Одн ако , когда Эйнштейн пытался расширить конце пцию относительности на класс явлений , прои сходящих в неинерциальных системах отсчёта , это привело к созданию новой теории гравитации , к развитию релятивистской космологии и т.д . Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий , в котором первичным выступает теорети ческий аспект. Новая теория - общая теория относительности – строилась путём построения обобщённого пространс тва и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относитель ности - к теоретической структуре новой , о теор ии с последующей её эмпирической интерпретацией . Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избав ить физику от необходимости введения инерциа льной системы отсчёта . Создание новой теории началось с п ересмотра концепции прос транства и времени в полевой доктрине Фар адея - Максвелла и специальной теории относит ельности . Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте , который остался незатронутым . Речь идет о следующем положении спе циальной теории относительности : "...двум выбранны м материальным точкам покоящегося тела всег да соответствует некоторый отрезок определённой длины , независимо как от положения и ориентации тела , так и от времени . Двум отмеченным показаниям с трелки часов , покоящихся относительно некоторой системы координат , всегда соответствует инт ервал времени определённой величины , независимо от места и времени ". Следует отметить , что в общей тео рии относительности находит наиболее полно е воплощение представление диалектического мат ериализма о пространстве и времени как ф ормах существования материи . Специальная теор ия относительности не затрагивала проблему в оздействия материи на ст р уктуру пр остранства-времени , а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической вз аимосвязи материи , движения , пространства и вр емени. Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжёлой масс . Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт , на базе которого можно объяснить загадку гравитации . Проанализировав опыт Этвеша , Эйнштейн обоб щил его результат в принцип эквивалентности : " физически невозможно отличить действие однородного гравита ционного поля и поля , порождённого равноускоренным движением ". Т . е . данный принцип приводит нас к признанию единства природы инерции и тяготения . Принцип эквивалентности носит локальный характер и , вообще говоря , не входит в структуру общей теории относительности . Он помог сформулировать основные принципы , на которых базируется новая теория : гипотезы о геометрической природе гравитации , о взаи мосвязи геометрии пространства-времени и материи . В работе "Относительность и проблема п ространства " Эйнштейн специально рассма тривает вопрос о специфике понятия пространс тва в общей теории относительности . Согласно этой теории пространство не существует отдельно , как нечто противоположное "тому , ч то заполняет прост р анство " и что зависит от координат . "Пустое пространство , т.е . пространство без поля не существует . Пространство-время существует не само по себе , а только как структурное свойство поля ". Литература : 1) Ахулдов М . Д . Концепции пространства и времени : история , эволюция , п ерспективы . М .,1982г . 2) Дмитриева В.Ф . Физика . М .,1993г. 3) Павленко Ю . Г . Физ ика . Учебное пособие . М .,1998г.