Понятие и сущность пространства и времени

       В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно - временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

 Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть, двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

      Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10^-6 - 10^-15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада. Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Она была установлена XVX веке, составив 300 000 км/с. Это огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире.

      Представим себе эксперимент: большой спутник движется по орбите вокруг Земли, и с него, как с космодрома, запускается ракета - межпланетная станция к Венере. Запуск производится строго в направлении движения орбитального космодрома. Из законов классической механики следует, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно орбитального космодрома плюс скорость самого космодрома относительно Земли. Скорости движений складываются, и ракета получает довольно большую скорость, которая позволяет преодолеть притяжение Земли и улететь к Венере.

      Другой эксперимент: со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света. Какова скорость распространения света относительно земли? Она остается такой же. Даже если свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном направлении, то и тогда относительно Земли скорость света не изменится.   

      Эксперимент, который  должен был показать изменение скорости света в движущихся телах  и  соответственно  абсолютных  характер движения этих  тел,  был выполнен в 1881 г.  Майкельсоном (1852 - 1931). В последствии его не раз повторяли.  По существу, эксперимент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов, идущих к экранам на корме и на носу движущегося корабля,  но  в  качестве корабля была использована сама Земля,  движущаяся в пространстве со скоростью около 30 км/сек.  Далее,  сравнивали не скорость луча,  догоняющего тело и луча,  идущего навстречу телу,  а скорость распространения света в продольном и поперечном  направлениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так называемом интерферометре, один луч шел по направлению движения Земли - в продольном плече интерферометра,  а другой луч - в поперечном плече. Различие в скоростях этих лучей должно было  продемонстрировать зависимость скорости света в приборе от движения Земли.

      Результаты эксперимента Майкельсона оказались  отрицательными. На поверхности Земли свет движется с одной и той же скоростью во всех направлениях.

       Такой вывод  казался  крайне  парадоксальным.  Он должен был привести к принципиальному отказу от классического правила сложения скоростей.  Скорость света одна и та же во всех телах, движущихся по отношению друг к другу равномерно и  прямолинейно. Свет проходит с  неизменной  скоростью,  приблизительно  равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет. Свет - это путник, который идет по полотну железной дороги,  между путями, с одной и той же скоростью относительно встречного поезда, относительно поезда, идущего в том же направлении,  относительно самого полотна, относительно пролетающего над ним самолета и т.д.,  или пассажир, который движется по вагону мчащегося поезда с одной и той  же  скоростью относительно вагона и относительно Земли.

      Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости. “Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света”. Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

      Со скорость света тесно связано решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность. В  теории  относительности Эйнштейна  вопрос о свойствах и структуре  эфира трансформируется в вопрос о реальности  самого  эфира.  Отрицательные   результаты   многих   экспериментов  по  обнаружению  эфира  нашли  естественное   объяснение  в  теории относительности - эфир не существует.  Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и  предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая  выступает как синтез механики и электродинамики.

      Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили  Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность  длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие   одновременности лишено смысла: "Два события,  одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при  рассмотрении из системы, движущейся относительно данной".

       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.   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, движущейся относительно первой. Неизменной при таком переходе остается другая величина, к которой мы и перейдем. Миньковский сформулировал постоянство скорости света следующим образом. При координатном преобразовании остается неизменным расстояние между двумя точками,  например  путь,  пройденный  движущейся частицей. Чтобы вычислить это расстояние - путь,  пройденный частицей, - нужно взять квадраты  приращений  трех  координат,  т.е. квадраты разностей между новыми и старыми значениями координат. Согласно соотношениям геометрии Евклида,  сумма этих трех квадратов будет равна квадрату расстояния между точками. Теперь мы прибавим к трем приращениям пространственных  координат приращение времени - время, прошедшее от момента пребывания частицы в первой точке до момента пребывания ее во второй  точке. Эту четвертую величину  мы также берем в квадрате.  Нам ничто не мешает назвать сумму четырех квадратов квадратом "расстояния", но уже не  трехмерного,  а четырехмерного.  При этом речь идет не о расстоянии между пространственными точками,  а об интервале между пребыванием частицы в определенный момент в одной точке и пребыванием частицы в другой момент в другой точке.  Точка смещается и в пространстве и во времени.  Из постоянства скорости света вытекает, как показал Миньковский,  что при определенных  условиях (время нужно измерять особыми единицами) четырехмерный пространственно-временной интервал будет неизменным,  в какой бы  системе отсчета мы ни измеряли положения точек и время пребывания частицы в этих точках.

       Само по  себе  четырехмерное  представление движения частицы может быть легко усвоено,  оно кажется почти очевидным и,  в сущности привычным. Всем известно, что реальные события определяются четырьмя числами: тремя пространственными координатами и  временем, прошедшим  до  события с начала летосчисления,  или с начала года, или от начала суток.  Будем откладывать на листе бумаги  по горизонтальной прямой место какого-либо события - расстояние этого места от начального пункта, например расстояние до точки, достигнутой поездом, от станции отправления. По вертикальной оси отложим время,  когда поезд достиг этой точки, измеряя его с начала суток или с момента выхода поезда со станции отправления.  Тогда мы получим график движения поезда в двумерном пространстве,  на географической карте, лежащей на столе, а время показывать вертикалями над картой.  Тогда мы не  обойдемся чертежом,  понадобится трехмерная модель,  например  проволока,  укрепленная над картой. Она будет трехмерным графиком движения: высота проволоки в каждой точке над лежащей картой будет изображать время, а на самой карте проекция проволоки изобразит движение поезда по местности.  Изобразим теперь  не только перемещение поезда на плоскости, но и его подъемы и спуски,  т.е. его движение в трехмерном пространстве. Тогда вертикали уже не могут изобразить время, они будут означать высоту поезда над уровнем моря.  Где е откладывать время - четвертое измерение?  Четырехмерный график нельзя построить и даже нельзя представить себе. Но математика уже давно умеет находить подобные  геометрические  величины,  пользуясь аналитическим методом, производя вычисления.  В формулы и вычисления  наряду  с тремя пространственными измерениями можно ввести четвертое - время и,  отказавшись от наглядности, создать таким образом четырехмерную геометрию.

      В 1908г. Миньковский представил теорию относительности в форме четырехмерной геометрии.  Он назвал  пребывание  частицы в точке, определенной  четырьмя координатами,  "событием",  так как под событием в механике следует понимать  нечто определенное  в пространстве и во  времени -  пребывание частицы в определенной пространственной точке в определенный момент. Далее он назвал совокупность событий -  пространственно-временное многообразие  -"миром", так как действительный мир развертывается в пространстве и во времени. Линию, изображающую движение частицы, т.е. четырехмерную линию, каждая точка которой определяется четырьмя координатами, Миньковский назвал "мировой линией".

       Однородность пространства  выражается в сохранении импульса, а однородность времени - в сохранении энергии. Можно ожидать, что в четырехмерной  формулировке  закон  сохранении импульса и закон сохранения энергии сливаются в один закон  сохранения  энергии  и импульса. Действительно,  в теории относительности фигурирует такой объединенный закон импульса.

      Однородность пространства  стала  исходной идеей науки после того, как Галилей и Декарт, сформулировав принцип инерции и принцип сохранения импульса, показали, что в мировом пространстве нет выделенной точки - начала привилегированной системы отсчета,  что расстояния между  телами и их взаимодействия не зависят от движения состоящей из этих тел материальной системы. Однородность времени стала исходной идеей науки после того,  как физика XIX века, сформулировав принцип сохранения энергии,  показала независимость процессов природы от их смещения во времени и отсутствие абсолютного начала отсчета времени.  Теперь исходной идеей науки становится однородность пространства-времени.

      Разделение на пространство и время не имеет смысла. Пространство и время в специальной теории относительности трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако когда Эйнштейн попытался расширить концепцию относительности    на класс явлений, происходящих 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 теоретический аспект. Новая теория - общая теория  относительности – строилась путём построения  обобщённого пространства - времени и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщённой теории с последующей её эмпирической  интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.

2.2 Пространство и время в  общей теории относительности и в релятивистской космологии.

      В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства, и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Эйнштейн усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности:  "физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением". Принцип эквивалентности помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.