Пространство и время : понятия и основные свойства

Специальная теория относительности (СТО) создана в 1905 г. А. Эйнштейном (немецко-американский физик-теоретик), СТО обобщила классическую механику Галилея-Ньютона и электродинамику Максвелла-Лоренца. СТО описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике → СТО – частный случай.

Принцип относительности Г. Галилея (все физические (механические) явления происходят одинаково во всех инерциальных системах) устанавливает инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения (инерц. сист. движутся со скоростью меньшей, чем скорость света в вакууме).

Эйнштейн сформулировал обобщенный принцип относительности, распространив его и на электромагнитные явления, и на движение света.

Его СТО включает 2 постулата:

1. принцип относительности: никакие физические опыты (механические, электромагнитные и др.), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможность обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно.

2. принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах.

Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий и распространения электромагнитных волн и света. И она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, а это физически невозможно, что было подтверждено экспериментами над электронами».

Из этих двух принципов - постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея - математически следуют все положения СТО. Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся (длина самолета уменьшается при взлете относительно человека находящегося на поверхности Земли).

Время будет течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной.

Если говорить об относительности пространственных и временных величин в разных системах отсчета, то в каждой системе отсчета длина тела и временной промежуток будут различны, а связь пространства и времени обнаруживается как некоторая абсолютная величина и она останется неизменной. Увеличение длины будет соответствовать уменьшению промежутка времени в данной системе, и наоборот.

Из «парадокса близнецов» мы видим, что время необратимо. В 25-летнем возрасте один из близнецов улетает на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, он с удивлением увидит, что его брат стал старше его. Можно даже рассчитать такой полет. Представим себе, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Но согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца. Физиологические процессы здесь совершенно ни при чем. Нельзя спрашивать, почему за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Теория относительности доказала, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.

Еще один экспериментальный факт подтверждает СТО: в космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами, или пионами. Собственное время жизни пионов – 10^-8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они могут пройти не больше чем 300 см, но приборы их регистрируют у поверхности Земли. Они проходят путь, равный 30 км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности так объясняет этот факт: 10^-8 с. является естественным временем жизни мезона, измеренным по часам, движущимся вместе с мезоном, т.е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни мезона намного больше, и за это время пионы в состоянии пройти земную атмосферу.

Из СТО следует относительность длин и промежутка времени, относительность одновременности событий.