4.2.Пространство и время

Существование материи связано с такими двумя субстанциями, как пространство и время. Пространство характеризует структурность и протяжённость материальных объектов, определяет вид их взаимодействия. Время характеризует длительность явлений, быстроту протекания процессов, определяет их последовательность. Можно найти много формулировок времени и пространства, одни из них удачные, другие – не очень, Однако стоит дать блестящую формулировку соотношения пространства и времени

Вернадского: смерть – это отделение пространства от времени.

Пространство и время имеют объективный характер. Они неотделимы от материи, неразрывно связаны с её движением, с одной стороны, и друг с другом - с другой, обладают количественной и качественной бесконечнос-тью. К свойствам пространства относятся протяжённость, единство пре-рывности и непрерывности. Свойствами времени являются длительность, неповторяемость, необратимость.

В своей повседневной жизни и деятельности человеку постоянно прихо-дится перемещать различные материальные объекты (включая самого себя и отдельные части своего тела) в пространстве и во времени. При этом, как правило, человек сталкивается проблемами управления этими перемещени-ями.

Рассмотрим некоторые свойства пространства и времени. Опишем совре-менные представления о них

4.3. Специальная теория относительности а.Эйнштейна

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности Альфреда Эйнштейна, по-новому интерпретиро-вавшей релятивистскую концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Класси-ческий принцип относительности был сформулирован ещё Галилео Галиле-ем: во всех инерциальных системах отсчёта движение тел происходит по одинаковым законам. Инерциальными называются системы отсчёта, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разни-цы. Разница только в точке зрения.

Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием счита-ет, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывёт, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с такой же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится?

На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто “да” или “нет”. Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой вре-мени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнёра. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движет-ся относительно берега вместе с кораблём.

Еще более наглядный пример – это наша поездка в машине. До тех пор, пока автомобиль движется прямолинейно и равномерно, мы ощущаем себя в состоянии покоя: две системы (мы в автомобиле и автомобиль на дороге) инерциальны. Как только в одной системе скорость изменяется (торможение), изменяется и наше состояние покоя. Во всех системах время одинаково, меняются системы координат и скорости, которые можно вычислить для каждой системы с помощью классических преобразований. Эти выводы касаются и волнового движения, например, звуковой волны, скорость распространения которой 340 м/с (Мы знаем, что скорость звука алгебра-ически складывается со скоростью ветра, благодаря чему мы слышим звуки, идущие с наветренной стороны, и не слышим их с подветренной стороны. Однако, электромагнитная волна, в частности, свет распространяется с предельной скоростью света с=300 тыс км/с и, следовательно, эта скорость одинакова для всех инерциальных систем, что противоречит принципу относительности Галилея, согласно которому, напомню, координаты и скорости преобразовываются от одной инерциальной системы к другой. Поскольку мы не можем отказаться от постоянной скорости света, мы должны отказаться от этого классического принципа. Заменой теории относительности Галилея служит специальная теория относительности Эйнштейна. Сутью новой теории являются несколько зависимостей:

- взаимосвязь энергии и массы Е =mc² ,

- с=const ,

- взаимосвязь массы и скорости движения m = m₀ / (1 – v²/c²),

- взаимосвязь пути и скорости l_движ = l₀ (1 – v²/c²),

- взаимосвязь времени и скорости = T  (1 – v²/c²), где  - время в состоянии покоя, Т – время в состоянии движения

Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время её вообще считали бесконечной. Она была установлена в XIX веке, составив 300000 км/с.

Для сравнения, линейная скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с, скорость Земли в её орбитальном вращении вокруг Солнца - 30 км/с, скорость самого Солнца в его движении вокруг центра Галактики - около 250 км/с. Скорость движения всей Галактики с большой группой других галактик относительно других таких же групп - ещё в два раза больше.

Часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации и предельная скорость любых физических взаимодей-ствий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Проанализируем с= s/t =const. Добиться того, чтобы скорость света была одинаковой для всех инерциальных систем, можно, допуская, во-первых, что время не является постоянным для всех систем, и во-вторых, что расстояние при движении сокращается в направлении движения. В разных системах часы идут с разным ритмом: = T  (1 – v²/c²)

Аналогично и расстояние меняется при равномерном прямолинейном движении: l_движ = l₀ (1 – v²/c²),

Отсюда понятно, что при меняющихся числителе и знаменателе (расстоянии и времени) частное – скорость света может оставаться без изменений. На замену классическим преобразованиям в теории относительности Эйнштейна пришли преобразования Лоренца, учитывающие постоянство законов природы для всех инерциальных систем с изменяющимся временем и расстоянием при движении.

Один из главных выводов специальной теории относительности: изменение времени и пространства зависит от скорости: путь сокращается до нуля при достижении скорости световой. Например, длина движущегося стерж-ня сокращается вдвое при достижении 0,9 с. Аналогично этому часы (время) остановятся при скорости, равной световой.

Отсюда понятно, почему мы не замечаем рассинхронизации часов в разных системах ( например, на берегу и в автомобиле) – слишком маленькие скорости в макромире.

Можно рассмотреть и действие сил в механике с точки зрения теории от-носительности. Предположим, на тело действует сила F=ma. Пока тело дви-жется с небольшой скоростью, эта сила пропорциональна ускорению. Однако при скоростях, приближающихся к скорости света, этого наблюдаться не бу-дет. Частицы, движущиеся с такими скоростями, будут оказывать бесконечно большое сопротивление внешнему воздействию.

Покоящееся тело имеет массу, но не имеет кинетической энергии движения. Движущееся тело имеет и массу, и кинетическую энергию. Эта энергия сопротивляется внешнему воздействию подобно массе. Из теории относительности следует, что всякая энергия ведет себя подобно веществу: нагретое железо больше весит, чем холодное, Солнце, излучая энергию, теряет в массе и т.д. В классической физике мы имели два закона сохранения: массы и энергии. Существовали две субстанции – вещество, имеющее массу, и невесомая энергия. Согласно теории относительности мы имеем только один закон сохранения массы-энергии. Энергия имеет массу, а масса представляет собой энергию.

Масса тела увеличивается в соответствии с формулой:

m = m₀ / (1 – v²/c²).

Например, при скорости электрона 6 10⁶ м/с его масса составляет 9,1 10^-31кг,

а при скорости 12 10⁷ м/с – 9,9 10^-31кг.

Итак, специальная теория относительности:

• формулирует более общие механические законы;

• ликвидирует понятие эфира как среды, через которую распростра-няются световые волны;

• заменяет два закона сохранения одним;

• изменяет наше понятие абсолютного времени;

• распространяется на все явления природы.