Реферат: Общие положения теории относительности

Если все тела сокращают свои продольные размеры, то нельзя обнаружить подобное сокращение непосредственным измерением, нап­ример прикладыванием линейки с делениями к движущемуся стержню. При этом движется и линейка и соответственно уменьшаются ее длина и размеры нанесенных на нее делений. Лоренцово сокращение компен­сирует изменения скорости света, вызванные движением тела относи­тельно эфира. Луч света движется медленнее в продольном плече ин­терферометра, но само плечо, благодаря движению, стало короче, и свет проходит свой путь в продольном плече в течение того же вре­мени, что и в поперечном плече. Различие в скорости света в силу этого компенсируется и не может быть обнаружено. Таким образом Лоренц рассматривает обнаруженное Майкельсоном постоянство ско­рости света как чисто феноменологический результат взаимной ком­пенсации двух эффектов движения: уменьшение скорости света и сок­ращения проходимого им расстояния. С такой точки зрения класси­ческое правило сложения скоростей остается незыблемым. Абсолютный характер движения сохраняется - изменение скорости света сущест­вует; следовательно, движение может быть отнесено не к другим те­лам, равноправным эфиру, а к универсальному телу отсчета - непод­вижному эфиру. Сокращение носит абсолютный характер - существует истинная длина стержня, покоящегося относительно эфира, иными словами, стержня, покоящегося в абсолютном смысле.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879-1955) опубликовал статью "К электродинамике движущихся тел". В этой статье изложена теория, исключающая существование абсолютного тела отсчета и привилегиро­ванной системы координат для прямолинейного и равномерного движе­ния. Теория Эйнштейна исключает абсолютное, независимое от прост­ранственной системы отсчета время и отказывается от классического принципа сложения скоростей. Эйнштейн исходит из субстанциональ­ного постоянства скорости света, из того, что скорость света действительно одна и та же в различных, движущихся одна по отно­шению к другой системах. У Лоренца абсолютное движение тел приво­дит к изменению скорости света в этих телах, и, таким образом, обладает реальным физическим смыслом. Оно - это абсолютное движе­ние - прячется от наблюдателя в силу сокращения продольных масш­табов, затушевывающего оптический эффект абсолютного движения. У Эйнштейна абсолютное движение не прячется от наблюдателя, а прос­то не существует.

Если движение относительно эфира не вызывает никаких эффек­тов в движущихся телах, то оно является физически бессодержатель­ным понятием.

Оптические процессы в теле не могут быть критерием его рав­номерного и прямолинейного движения. Равномерное и прямолинейное движение тела А не изменяет хода оптических процессов, оно имеет относительный смысл, должно быть отнесено к другому телу В и сос­тоит оно в изменении расстояния между А и В.Мы можем с одним и тем же правом присвоить роль тела отсчета, т.е. приписать непод­вижность как телу А, так и телу В; фраза "тело А движется относи­тельно тела В" и "тело В движется относительно тела А" описывает одну и ту же ситуацию. Только такой смысл имеет равномерное и прямолинейное движение. Оно отнесено к конкретным телам; мы можем отнести движение тела А к различным телам отсчета, получить раз­личные значения его скорости, и никакое абсолютное тело отсчета типа эфира не должно фигурировать в научной картине мира. Движе­ние тел относительно эфира и, следовательно, движение эфира отно­сительно тел не имеют физического смысла.

Тем самым из физической картины мира устраняется понятие единого времени, охватывающего всю Вселенную. Здесь Эйнштейн по­дошел к самым коренным проблемам науки - к проблемам пространс­тва, времени и их связи друг с другом.

Если нет мирового эфира, то нельзя приписать некоторому телу неподвижность и на этом основании считать его началом неподвиж­ной, в абсолютном смысле, привилегированной системы координат. Тогда нельзя говорить и об абсолютной одновременности событий, нельзя утверждать, что два события, одновременные в одной системе координат, будут одновременными и во всякой другой системе коор­динат.

Вернемся к кораблю с экранами на корме и на носу и к набе­режной, на которой также установлены экраны. Когда вспышка фонаря одновременно осветила экраны, мы можем говорить, что освещение экрана на корме и на носу - одновременные события. В системе ко­ординат, связанной с кораблем, эти события действительно одновре­менны. Но мы не остановились на этой констатации и считали воз­можным говорить об одновременности в абсолютном смысле. Тот факт, что при движении корабля экраны освещаются не одновременно, нас не смущал, мы учитывали запаздывание света, догоняющего корабль, т.е. идущего от фонаря к экрану на носу. Мы всегда могли восполь­зоваться абсолютно неподвижной, связанной с эфиром системой отс­чета и перейти от движущегося корабля к неподвижной набережной и убедиться, что в этой "неподвижной", "истинной", "абсолютной", "привилегированной" системе отсчета свет распространяется во все стороны с постоянной скоростью, а в других, движущихся, системах, он меняет скорость. До теории Эйнштейна слова "неподвижная", "привилегированная", "абсолютная" система отсчета не ставились в кавычки: все были убеждены в существовании внутреннего критерия движения - различия в ходе оптических процессов в неподвижных (в абсолютном смысле, относительно неподвижного мирового эфира) те­лах и в движущихся (также в абсолютном смысле) телах. Синхрониза­ция часов казалась возможной даже в том случае, когда речь шла о часах, расположенных в двух системах, из которых одна движется относительно другой.

Когда корабль движется вдоль набережной, свет достигает эк­ранов на корабле в различные моменты времени; но мы считали эти моменты различными потому, что видели экраны на набережной, отож­дествляли мгновения, когда свет попадает на эти неподвижные экра­ны, приписывали абсолютный характер одновременности, зарегистри­рованной в неподвижной системе отсчета. Теперь от всего этого приходится отказаться. С точки зрения теории относительности, на­ходясь на корабле и не видя набережной, нельзя найти доказатель­ства неодновременности освещения экранов на носу и на корме. Мы считали эти моменты неодновременными, потому что во время расп­ространения света от фонаря к экранам корабль сдвинулся по отно­шению к набережной, а эту набережную мы признаем неподвижной в абсолютном смысле. Сверяя часы с помощью экранов на набережной, т,е, считая одновременными мгновения, когда свет достиг этих не­подвижных экранов, мы, естественно, должны различать моменты, когда свет доходит до экранов на движущемся корабле. Но если дви­жение корабля и неподвижность набережной не имеют абсолютного ха­рактера, мы можем таким же правом рассматривать корабль в качест­ве неподвижного тела отсчета. Тогда набережная движется, и на на­бережной свет достигает береговых экранов в различные моменты времени. Спор о том, какая система отсчета неподвижна в абсолют­ном смысле, беспредметен, если нет абсолютно покоящегося тела отсчета - мирового эфира. События, одновременные в одной системе отсчета, неодновременны в другой системе.

Если нет абсолютной одновременности, то нет абсолютного вре­мени, протекающего единообразно во всех смещающихся одна относи­тельно другой системах. Время зависит от движения.

Какова эта зависимость, как изменяется ход времени при пере­ходе из одной системе к другой? Еще до появления работы Эйнштейна Лоренц утверждал, что при сокращении продольных масштабов в дви­жущихся системах будет вместе с тем замедляться ход часов. Сокра­щение масштабов и замедление хода часов как раз и будет компенси­ровать изменение скорости света в движущихся системах. Поэтому замедление хода часов, как и сокращение масштабов, можно вычис­лить, исходя из постоянства скорости света.

У Эйнштейна сокращение продольных пространственных масштабов и замедление времени в движущихся системах имеет совсем другой смысл, чем у Лоренца. Время замедляется не по сравнению с "истин­ным", "абсолютным" временем, текущим в неподвижных относительно эфира, т.е. в абсолютно неподвижных, системах. Длина продольно движущегося стержня сокращается не по сравнению с некоторой "ис­тинной" и "абсолютной" длиной стержня, покоящегося в эфире. С точки зрения Эйнштейна, сокращение масштабов (как и замедление времени) взаимно. Если система К' движется относительно системы К, то с таким же правом можно сказать, что система К движется от­носительно системы К'. Длина стержня, измеренная в системе К, от­носительно которой он покоится, окажется меньше, если ее изме­рить в системе К'. Но, в свою очередь, стержень, покоящийся в системе К', окажется короче при измерении в системе К. Речь идет о вполне реальном измерении длины, но понятие "реальное измере­ние" не означает существование неизменной абсолютной "привилеги­рованной" длины.Причиной лоренцова сокращения служит реальный процесс взаимного движения систем - процесс, в котором обе систе­мы играют совершенно равноценную роль. Лоренцово представление о реальном сокращении длины стержня по сравнению с неизменной, "ис­тинной" длиной стержня, покоящегося в абсолютном смысле, - это более "классическое", но вовсе не более естественное представле­ние, чем представление Эйнштейна о взаимном сокращении масштабов в системах, движущихся одна по отношению к другой. Взаимное пере­мещение тел, изменение их взаимных расстояний легче представить себе, чем абсолютное движение, отнесенное к пустому пространству либо к однородному эфиру.

Идеи, высказанные Эйнштейном в 1905 году, уже в ближайшие годы заинтересовали очень широкие круги. Люди чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на традиционные представле­ния о пространстве и времени, не может не привести при своем раз­витии и применении к очень глубоким производственно-техническим и культурным сдвигам. Разумеется, только теперь стал ясен путь от абстрактных рассуждений о пространстве и времени к представлению о колоссальных запасах энергии, таящихся в недрах вещества и жду­щих своего освобождения, чтобы изменить облик производственной техники и культуры. Попытаемся несколькими штрихами обрисовать этот путь, хотя две-три фразы не могут дать представления о цепи глубоких и сложных математических построений, о многократном пе­ресмотре самых, казалось бы, очевидных и прочных концепций клас­сической физики.

Эйнштейн вывел из постоянства скорости света в движущихся телах невозможность для этих тел превысить скорость света. Тем самым из картины мира исключаются мгновенные, распространяющиеся с бесконечной скоростью, воздействия одного физического объекта на другой. Исключаются также воздействия, распространяющиеся с конечной скоростью, превышающей скорость света. Два события могут быть связаны друг с другом причинной связью, одно событие может быть причиной второго, если время, прошедшее между событиями, не меньше времени, необходимого свету, чтобы пройти расстояние между точками, где произошли эти события. Такое представление о при­чинной связи между событиями можно назвать релятивистским, в от­личие от классического представления, допускавшего, что событие в одной точке может повлиять на событие в другой точке при сколь угодно малом промежутке времени между событиями.

Сопоставляя релятивистскую причинность с классической, можно увидеть некоторую существенную для истории науки связь между ме­ханической картиной мира и ее релятивистским обобщением. Причин­ная связь между двумя событиями в отдаленных точках а1 и а2 сос­тоит в том, что событие в точке а1 вызывает отправление некоторо­го сигнала, который, прибыв в точку а2, вызывает здесь второе со­бытие. Первым событием может быть, например, выстрел, а вторым - попадание снаряда в цель. Причинная связь состоит в движении сна­ряда, играющего в этом примере роль сигнала. Бесконечная скорость сигнала означала бы, что причина (отправление передающего воз­действия сигнала из а1) и следствие (его приход в а2) возникают одновременно. Следовательно, причинная связь может быть представ­лена в чисто пространственном аспекте. Чтобы придать понятию при­чинной связи пространственно-временной вид, нужно найти предел скоростей, и он был найден в постоянной скорости распространения электромагнитного поля.

Обобщение, о котором идет речь, связано с новой трактовкой условий тождественности движущегося объекта. Тождественным себе может быть объект, движение которого подчинено условию: расстоя­ние между точками а1 и а2 пребывания тела в моменты t1 и t2 не должно быть больше, чем скорость света, умноженная на t1-t2. Если это условие не соблюдено, то перед нами не движущийся тождествен­ный себе объект, а различные нетождественные объекты.

Обратимся теперь к динамическим выводам из существования границы механических скоростей.

Если тело движется со скоростью, близкой к скорости света, и на него начинает действовать дополнительная сила, то ускорение не может быть таким, чтобы тело достигло скорости, превышающей ско­рость света. Чем ближе к скорости света, тем больше тело сопро­тивляется силе, тем меньшее ускорение вызывает одна и та же при­ложенная к телу сила. Сопротивление тела ускорению, т.е. масса тела, растет со скоростью и стремится к бесконечности, когда ско­рость тела приближается к скорости света. Таким образом, масса тела зависит от скорости его движения, она растет при растет при возрастании скорости и пропорциональна энергии движения. Что ка­сается массы покоящегося тела, она связана определенным отношени­ем с внутренней энергией - энергией покоящегося тела. Эта энергия равна массе покоя, умноженной на квадрат скорости света. Если энергия движения тела переходит в его внутреннюю энергию (напри­мер, тепловую энергию или энергию химических связей), от соот­ветственно возрастанию энергии возрастает масса покоя.

Но масса покоя отнюдь не равна сумме заключенной в теле теп­ловой, химической и электрической энергии, деленной на квадрат скорости света. Этой сумме соответствует очень небольшая часть всей энергии покоя. Переход энергии движения двух тел в энергию покоя, например при неупругом соударении этих тел, увеличивает энергию на ничтожную величину по сравнению со всей энергией по­коя. В свою очередь переход теплоты в энергию движения тел умень­шает энергию покоя (и массу покоя) на ничтожную долю. Тело с тем­пературой, равной абсолютному нулю, с нулевой химической и элект­рической энергией обладало бы энергией покоя и массой покоя, лишь в ничтожной мере уменьшившимися по сравнению с телом обычной тем­пературы и с обычными запасами химической и электрической энер­гии.

До середины нашего столетия во всех областях техники исполь­зовали лишь подобные ничтожные изменения энергии покоя и массы покоя тел. Сейчас появились практически применяемые реакции, при которых затрачивается или пополняется основной массив заключенной в веществе энергии покоя.

В современной физике существует представление о полном пере­ходе энергии покоя в энергию движения, т.е. о превращении части­цы, обладающей массой покоя, в частицу с нулевой массой покоя и очень большой энергией движения и массой движения. Такие переходы наблюдаются в природе. До практического применения подобных про­цессов еще далеко. Сейчас используются процессы, освобождающие внутреннюю энергию атомных ядер. Атомная энергетика оказалась ре­шающим экспериментальным и практическим доказательством теории относительности Эйнштейна.

Разумеется в 1905 г., когда была опубликована первая статья Эйнштейна о теории относительности, никто не мог предвидеть конк­ретных путей научно-технической революции, призванной воплотить в жизнь новое учение о пространстве, времени и движении. В теории относительности видели поразительно глубокое, стройное и смелое обобщение и истолкование уже известных экспериментальных данных, прежде всего фактов, свидетельствующих о постоянстве скорости света, о ее независимости от прямолинейного и равномерного движе­ния системы, через которую проходит световой луч.

Вместе с тем ученые понимали, что, отвергнув, казалось бы очевидное, классическое понятие одновременности, отказавшись от не менее очевидного классического правила сложения скоростей, до­пуская и обсуждая парадоксальные, на первый взгляд, выводы, физи­ка овладевает очень мощным оружием.

Покинув пристань ньютоновской механики, бросив вызов "оче­видности", не ограничивая отныне свои пути традиционным фарвате­ром, наука может открыть новые берега. Какие плоды зреют на этих берегах, что получит практика от новых теоретических обобщений, тогда еще не знали. Существовала лишь, как уже было сказано, ин­туитивная уверенность, что смелости и широте новых идей должны соответствовать некоторые коренные технические культурные сдвиги.

Как бы то ни было, дело было сделано. В науку были пущены идеи, которым предстояло революционизировать учение о космосе и микромире, учение о движении и энергии, представление о прост­ранстве и времени, а впоследствии стать основой атомной энергети­ки. Эти идеи стали жить своей жизнью.

В 1907-1908 гг. Герман Миньковский (1864 - 1908) придал тео­рии относительности весьма стройную и важную для последующего обобщения геометрическую форму. В статье "Принцип относительнос­ти" (1907) и в докладе "Пространство и время" (1908) теория Эйн­штейна была сформулирована в виде учения об инвариантах четырех­мерной евклидовой геометрии. У нас нет сейчас ни возможности, ни необходимости давать сколько-нибудь строгое определение инвариан­та и присоединить что-нибудь новое к тому, что уже было о нем сказано. Понятие многомерного пространства, в частности четырех­мерного пространства, также не требует здесь строгого определе­ния; можно ограничиться самыми краткими пояснениями.

Ранее уже говорилось, что положение точки на плоскости может быть задано двумя числами, измеряющими длины перпендикуляров, опущенных на оси некоторой координатной системы. Если перейти к иной системе отсчета, координаты каждой точки изменятся,но расс­тояние между точками при таком координатном преобразовании не изменятся. Инвариантность расстояний при координатных преобразо­ваниях может быть показана не только в геометрии на плоскости, но и в трехмерной геометрии. При движении геометрической фигуры в пространстве координаты точек меняются, а расстояния между ними остаются неизменными. Как уже было сказано, существование инвари­антов координатных преобразований можно назвать равноправностью систем отсчета, равноценностью точек, в каждой можно поместить начало координатной системы, причем переход от одной системы к другой не сказывается на расстояниях между точками. Подобная рав­ноценность точек пространства называется его однородностью. В сохранении формы тел и соблюдении неизменных законов их взаимо­действия при преобразованиях выражается однородность пространс­тва. Однако при очень больших скоростях, близких к скорости све­та, становится очень существенной зависимость расстояния между точками от движения системы отсчета. Если одна система отсчета движется по отношению к другой, то длина стержня, покоящегося в одной системе, окажется уменьшенной при измерении ее в другой системе. В теории Эйнштейна пространственные расстояния (как и промежутки времени) меняются при переходе от одной системы отсче­та к другой, движцщейся относительно первой. Неизменной при таком переходе остается другая величина, к которой мы и перейдем.

Страницы: 1, 2, 3