Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Лоренц отмечал по этому поводу: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он-первый высказал принцип относительности в виде все-

 

общего, строго и точно действующего закона». Следует отметить, что точки зрения об универсальности принципа относительности придер­живался также А. Пуанкаре.

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пу­стоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Исходя из постоянства скорости света, Эйнштейн подвергает кри­тическому анализу традиционное понятие времени. Критику абсолют­ного времени Ньютона Эйнштейн начинает с рассмотрения понятия одновременности двух событий, обращая особое внимание на тот факт, «что все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях». Устано­вив, что следует понимать под синхронно идущими в разных точках пространства покоящимися часами, Эйнштейн дает определения по­нятий «одновременности» и «времени». Но установленная таким об­разом одновременность событий в одной системе отсчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к первой. Если один на­блюдатель считает одновременными два события, которые простран­ственно разобщены, в той системе отсчета, относительно которой он неподвижен, то другой наблюдатель, участвующий в равномерном пря­молинейном движении относительно первой системы отсчета, не счи­тает их одновременными. Так что одновременность становится поня­тием относительным, зависящим от наблюдателя.

Таким образом, следует говорить о собственном времени каждой системы отсчета. Универсальное абсолютное ньютоновское время должно уступить место бесчисленным собственным временам раз­личных систем отсчета. Этот, на первый взгляд, парадоксальный вывод является следствием того, что невозможно синхронизировать часы с помощью сигналов, распространяющихся со скоростью, превышающей скорость света.

Наше же обыденное представление о времени, совпадающее с представлением об универсальном ньютоновском времени, - след­ствие того, что мы живем в мире малых скоростей, неосознанно пользу­ясь при этом информационным волнами, распространяющимися со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Если бы скорость элек­тромагнитных волн была бы порядка обычных для нашего сознания скоростей, то гораздо раньше встал бы вопрос об одновременности событии в различных точках пространства. Эйнштейн показал, что в основе преобразований Галилея как раз и лежит произвольное до­пущение о том, что понятие одновременности имеет смысл независи­мо от состояния движения используемой системы координат.

.

Рассуждая таким образом и используя два указанных выше прин. ципа (постулаты теории относительности), Эйнштейн математически вывел лоренцево сокращение движущихся тел при их наблюдении из покоящейся системы. Обстоятельство, что длительности событий раз­личны в различных системах отсчета, приводит к замене галилеева правила сложения скоростей релятивистским законом сложения ско­ростей. Из релятивистского закона сложения скоростей следует, чтс сложение скорости света со скоростью источника дает во всех слу­чаях опять-таки скорость света, тем самым скорость света в пустоте -максимальная скорость передачи взаимодействий в природе.

Новая кинематика, к которой пришел Эйнштейн при анализе поня­тий пространства и времени, совпала с преобразованиями, полученны­ми ранее Лоренцем. Однако Эйнштейн наполняет преобразования Лоренца новым физическим содержанием. Так, если Лоренц рассмат­ривал сокращение линейных размеров движущихся тел как действи­тельное сокращение по отношению к неподвижному эфиру, то Эйнш­тейн рассматривает это сокращение как кажущееся для наблюдателя, относительно которого тело движется. Сокращение линейных раз­меров тел и замедление длительности временных интервалов — это следствие различных процессов измерения, которыми пользуются раз­ные наблюдатели в различных системах отсчета.

Итак, два постулата принципа относительности должны быть до­полнены преобразованиями Лоренца. Чтобы принцип относительнос­ти мог выполняться, необходимо, чтобы все законы физики не изменя­ли своего вида, были инвариантны при переходе из одной инерциаль-ной системы отсчета в другую относительно преобразований Лорен-ца. Это одно из первых следствий, вытекающих из постулатов теории относительности, устанавливающее критерий включения физического закона в релятивистскую схему.' Эйнштейн показал также, что преоб разования Лоренца переходят в преобразования Галилея при скоро стях У«С{где С — скорость чвета), тем самым устанавливая грани цы применимости классической механики для мира малых скоростей

Содержание трансдисциплинарных концепций релятивистской исследовательской программы

Преобразования Галилея основывались на гипотезе о полной неза висимости времени и пространства. Это приводило к тому, что пространственные и временные интервалы рассматривались по отдельности неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую.

Независимо от этого двум событиям ставился в соответствие вре­менной интервал dt, также не зависящий от системы отсчета. Однако специальная теория относительности в корне изменяет сложившийся

взгляд-

Из самого вида преобразований Лоренца отчетливо видно, что про­странственные и временные координаты больше не могут быть рассмот­рены независимо. Г. Минковский, исходя из положения, что пространство и время — понятия, неотделимые друг от друга, предложил математический формализм, запись в котором физического закона приводит к его инвари­антности относительно преобразований Лоренца.

Формализм Минковского использует представление о четырех­мерном мире, четырехмерном пространственно-временном континуу­ме, в котором время по своему месту в физических уравнениях экви­валентно трем пространственным координатам.

Двум соседним точкам в четырехмерном пространстве-времени ставится в соответствие численная мера, называемая мировым интер­валом.

Специальная теория относительности — теория, которая решает две основные задачи: во-первых, приспосабливает пространственно-временную метрику к уравнениям Максвелла, Это приводит к выра­ботке новой «метрики» пространства-времени, где на смену евклидо­вой метрике приходит видоизмененная метрика с пространственно-временным континуумом, называемым псевдоевклидовым простран­ством Минковского, в котором время эквивалентно пространственным координатам, играет роль четвертого измерения в этом континууме и в котором инвариантным относительно преобразований Лоренца яв­ляется четырехмерный мировой интервал. И, во-вторых, применение этой новой «метрики» ко всей физике. Этот второй этап приводит к видоизменению ньютоновских законов движения на случай больших скоростей и к закону взаимосвязи массы тела и энергии Е = тс².

В дальнейшем все известные физические законы были записаны в четырехмерном формализме Минковского, что привело к созданию новой релятивистской (relativ — относительный) физической иссле­довательской программы, пришедшей на смену механистической ис­следовательской программе.

Трансдисциплинарные концепции релятивистской исследователь­ской программы:

1. Концепция относительности (инвариантности).

2. Концепция микропричинности, согласно которой взаимодействия Предаются с конечной скоростью, равной скорости света.

 

3. Концепция единого четырехмерного пространственно-времен­ного континуума.

Мотивы создания общей теории относительности. Концепция инвариантности как трансдисциплинарная идея естествознания

Несмотря на революционность специальной теории относительно­сти, приведшей к коренному изменению наших представлений о пространстве и времени, тем не менее возникает чувство некоторой незавершенности теории. И связано это с тем, что специальная тео­рия относительности, так же как и классическая механика, сохраняет привилегированное положение наблюдателей, находящихся в инерци-альных системах отсчета. А как быть с наблюдателями, находящими­ся в системах отсчета, движущихся по отношению к первым с ускоре­нием (в неинерциальных системах отсчета)? Чем объясняется не­инвариантность законов физики в неинерциальных системах отсчета? Правомерно ли это? Следующая проблема возникла при попытке представить в рамках СТО тяготение. Оказалось, что тяготение укла­дывается в рамки специальной теории относительности только в том случае, если потенциал гравитационного поля постоянен. Эйнштей­ном была выяснена причина этого: она состоит в том, что не только инертная масса зависит от энергии, но и гравитационная. Эйнштейн приходит к выводу о том, что гравитационное поле (в котором прояв­ляется гравитационная масса) эквивалентно ускоренному движению (в котором проявляется масса инертная). Эйнштейн приходит к выво­ду о том, что главная задача состоит не в том, как включить тяготение в СТО, а в том, как использовать тяготение для обобщения требова­ния инвариантности к любым типам движения, в том числе и уско­ренным. Оказалось, что тяготение не может быть полностью замене­но ускорением (гравитационные силы — силами инерции) в больших областях с неоднородным гравитационным полем. Сведение гравита­ционного поля к ускоренным системам отсчета требует ограничения принципа эквивалентности бесконечно малыми масштабами. Иными словами, принцип эквивалентности имеет локальное значение. Локаль­ный характер принципа эквивалентности приводит к представлениям о мире, отличном от плоского евклидова пространства, для которого сумма углов треугольника всегда равно 180°. Это мир — с кривизной пространственно-временного континуума. Случилось так, что в мате­матике уже были развиты теории неевклидовой дифференциальной геометрии — теория Лобачевского и теория Римана. В общей теории относительности инвариантность физических законов в системах от­счета, в которых действуют гравитационные силы (или которые яв­ляются неинерциальными), достигается относительно локальных пре­образований в римановом четырехмерном пространстве-времени по­ложительной кривизны. Иными словами, гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривления пространства.