Относительность в естествознаний

Введение 

     «Концепции  современного естествознания» —  новый предмет в системе высшего образования. Насколько нужно знать современную науку человеку, который, скорее всего, никогда сам не будет работать в ней?» В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам. Обычное возражение, согласно которому интерес к изучению электричества или стратиграфии мало что дает для познания человеческих дел, только выдает полное непонимание человеческих дел.

     Наука — это не только совокупность знаний. «... Науке можно учить как увлекательнейшей части человеческой истории —  как быстро развивающемуся росту смелых гипотез, контролируемых экспериментом и критикой.

     Итак, для чего же нужно изучать современное  естествознание?

     Во-первых, для того, чтобы стать культурным человеком, надо знать, что такое  теория относительности, генетика, синергетика, социобиология, экология, этология и другие науки.

     Во-вторых, это важно и потому, что многое в нашей жизни строится в соответствии с научной методологией. Хотя человечеству далеко до научной организации труда, тем не менее, научные принципы функционируют во многих видах деятельности, и, чтобы их успешно применять, надо их знать.

     В-третьих, потому, что знания, необходимые  любому специалисту, так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных. Этих причин достаточно для обоснования важности нового курса.

      
 
 
 

1. Специальная теория относительности Энштейна

 

     Название  «теория относительности» возникло из наименования основного принципа (постулата), положенного Пуанкаре и Эйнштейном в основу из всех теоретических построений новой теории пространства и времени.

     Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея— Ньютона и электродинамики Максвелла—Лоренца. "Она 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, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем".

     Специальная теория относительности называется иначе релятивистской теорией. В основу ее положены два принципа, которые являются постулатами. Эти постулаты надежно подтверждены экспериментально.

1. Принцип относительности. Все инерциальные системы отсчета равноправны, во всех инерциальных системах не только механические, но и все другие явления природы протекают одинаково.
2. Принцип постоянства скорости света. Во всех инерциальных системах скорость света в вакууме одинакова и равна с.

     Из  двух основных постулатов теории относительности  вытекает, что два события, одновременные  в одной системе отсчета, не одновременны в другой системе. Понятие одновременности  имеет относительный смысл, и  в разных инерциальных системах отсчета  время протекает по-разному.

     Содержанием теории относительности является физическая теория пространства и времени, учитывающая  существующую между ними взаимосвязь  геометрического характера.

     Название же «принцип относительности» или «постулат относительности», возникло как отрицание представления об абсолютной неподвижной системе отсчета, связанной с неподвижным эфиром, вводившимся для объяснения оптических и электродинамических явлений.

     Эйнштейн  пишет: «неудавшиеся» попытки обнаружить движение Земли относительно «светоносной среды» ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя, и даже более того,- к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, имеют место те же самые электродинамические и оптические законы, как это уже доказано для величин первого порядка. Мы намерены это положение (содержание которого в дальнейшем будет называться «принципом относительности») превратить в предпосылку...  А вот что пишет Пуанкаре: «Эта невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет закон природы; мы приходим к тому, чтобы принять этот закон, который мы назовем постулатом относительности, и примем его без оговорок».

     Преобразования  Лоренца, отражающие свойства пространства-времени, были выведены Эйнштейном, исходя из 2 постулатов: принципа относительности  и принципа постоянства скорости света.

     1. Законы, по которым изменяются  состояния физических систем, не  зависят от того, к которой из двух координатных систем, находящихся относительно друг друга в равномерном поступательном движении, эти изменения состояния относятся.

     2. Каждый луч света движется  в “покоящейся” системе координат  с определенной скоростью  , независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом.

     Значение  этих постулатов для дальнейшего  развития теории пространства-времени  состояло в том, что их принятие прежде всего означало отказ от старых представлений о пространстве и времени, как о многообразиях, не связанных органически друг с другом.

     Принцип относительности сам по себе не представлял  чего-либо абсолютно нового, т.к. он содержался и в Ньютоновской физике, построенной на базе классической механики. Принцип постоянства скорости света также не был чем-то абсолютно неприемлемым с точки зрения ньютоновских представлений о пространстве и времени.

     Однако  эти два принципа, взятые вместе привели к противоречию с конкретными  представлениями о пространстве и времени, связанные с механикой  Ньютона. Это противоречие можно  проиллюстрировать следующим парадоксом.

     Пусть в системе отсчета   в начальный момент   в точке, совпадающей с началом координат произошла вспышка света. В последующий момент времени  фронт световой волны, в силу закона постоянства скорости света, распространился до сферы радиуса   с центром в начале координат системы  . Однако в соответствии с постулатами Эйнштейна, это же явление мы можем рассмотреть и точки зрения системы отсчета   , движущейся равномерно и прямолинейно вдоль оси  , так, что ее начало координат и направления всех осей совпадали в момент времени   с началом координат и направлениями осей первоначальной системы  . В этой движущейся системе, соответственно постулатам Эйнштейна, за время   свет также распространится до сферы радиуса

     

      , однако, в отличие о предыдущей сферы должен лежать в начале координат системы  , а не  . Несовпадение этих сфер, т.е. одного и того же физического явления, представляется чем-то совершенно парадоксальным и неприемлемым с точки зрения существующих представлений. Кажется, что для разрешения парадокса надо отказаться от принципа относительности, либо от принципа постоянства скорости света. Теория относительности предлагает, однако, совершенно иное разрешение парадокса, состоящее в том, что события, одновременные в одной системе отсчета  , неодновременные в другой, движущейся системе  , и наоборот. Тогда одновременные события, состоящие в достижении световым фронтом сферы, определяемой уравнением  , не являются одновременными с точки зрения системы  , где одновременны другие события, состоящие в достижении тем же световым фронтом точек сферы, определяемой уравнением 

     Таким образом, одновременность пространственно  разобщенных событий перестает  быть чем-то абсолютным, как это принято  считать в повседневном макроскопическом опыте, а становится зависящей от выбора системы отсчета и расстояния между точками, в которых происходит события. Эта относительность одновременности пространственно разобщенных событий свидетельствует о том, что пространство и время тесно связаны друг с другом, т.к. при переходе о одной системе отсчета к другой, физически эквивалентной, промежутки времени между событиями становятся зависящими от расстояний (нулевой промежуток становится конечным и наоборот).

     Итак, постулаты Эйнштейна помогли  нам прийти к новому фундаментальному положению в физической теории пространства и времени, положению о тесной взаимосвязи пространства и времени и об их нераздельности, в этом и состоит главное значение постулатов Эйнштейна.

     Основное  содержание теории относительности  играет постулат о постоянстве скорости света. Основным аргументов в пользу этого является та роль, которую  отводил Эйнштейн световым сигналам, с помощью которых устанавливается  одновременность пространственно  разобщенных событий. Световой сигнал, распространяющийся всегда только со скоростью света, приравнивается, таким  образом, к некоторому инструменту, устанавливающему связь между временными отношениями в различных системах отсчета, без которого якобы понятия  одновременности разобщенных событий  и времени теряют смысл.

     Теория  относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала законченной теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории элементарных частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может, свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности. Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и обобщение этой теории.

     Теория  относительности ждет дальнейшего  развития и обобщения и в другом направлении, помимо картины движений, взаимодействий и трансмутаций элементарных частиц в областях порядка 10^-13 см, Она все в большей степени становится теорией, описывающей строение космических областей, по сравнению с которыми исчезающи малы расстояния между звездами и даже расстояния между галактиками.

     2. Преобразования Лоренца  в подвижных и неподвижных системах 

     В соответствии с двумя постулатами  специальной теории относительности  между координатами и временем в двух инерциальных системах К и К' существуют отношения, которые называются преобразованиями Лоренца.

     Для вывода преобразований Лоренца будем  опираться лишь на “естественные” допущения о свойствах пространства и времени, содержавшиеся еще  в классической физике, опиравшейся  на общие представления, связанные  с классической механикой:

     1. Изотропность пространства, т.е. все пространственные направления равноправны.

     2. Однородность пространства и  времени, т.е. независимость свойств пространства и времени от выбора начальных точек отсчета (начала координат и начала отсчета времени).

     3. Принцип относительности, т.е.  полная равноправность всех инерциальных  систем отсчета.

     Различные системы отсчета по-разному изображают одно и то же пространство и время  как всеобщие формы существования  материи. Каждое из этих изображений  обладает одинаковыми свойствами. Следовательно, формулы преобразования, выражающие связь между координатами и временем в одной – «неподвижной» системе (х, у, z, t)с координатами и временем в другой – «движущейся» системе (х’, у’, z’, t’), не могут быть произвольными.

     Наша  задача в точной формулировке сводится к следующему. Каковы значения х', у', z',t' некоторого события относительно системы К', если заданы значения х, у, z, t того же события относительно системы К? Соотношения должны быть выбраны так, чтобы для одного и того же светового луча (причем для любого) относительно К и К'выполнялся закон распространения света в пустоте. Эта задача пространственного расположения систем координат решается следующими уравнениями:

     

     у’=у’

     z'=z

     

      
Эта система уравнений носит название «преобразования Лоренца». Но если бы вместо закона распространения света  мы молчаливо исходили из представлений старой механики об абсолютном характере времени и протяженности, то вместо этих уравнений преобразования мы получили бы уравнения

     x'= x - vt,

     y' = y,

     z' = z,

     t' = t.

     Последнюю систему уравнений часто называют «преобразованием Галилея». Преобразование Галилея выводится из преобразования Лоренца, если в последнем скорость света с положить равной бесконечно большому значению.

     В классической механике пространство и  время рассматриваются как понятия  независимые друг от друга. Из преобразований Лоренца вытекает тесная связь между  пространственными и временными координатами: не только пространственные координаты зависят от времени, но и  время зависит от пространственных координат, а также от скорости движения системы отсчета.

     Преобразования  Лоренца и релятивистский закон  сложения скоростей соответствуют  принципу инерции. Действительно, если тело движется равномерно и прямолинейно относительно одной инерциальной системы  отсчета , то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно относительно любой другой инерциальной системы.