Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Пространство и время в теории относительности

В классической (дорелятивистской) физике пространственные соотношения событий и их временные соотношения рассматривались раздельно. Вопрос о том, когда случилось событие, решался независимо от того, где оно произошло.

Последовательность событий во времени — случились ли два события одновременно или одно из них, и какое именно, произошло раньше — считалась во всех без исключения случаях абсолютной, т. е. совершенно не зависящей от системы отсчета. Абсолютное значение приписывалось и величине промежутка времени между двумя событиями.

В противоположность этому пространственное расположение разновременных событий уже в механике Ньютона и Галилея всегда признавалось относительным. Надлежащим выбором системы отсчета любые два события — если они только не строго одновременны — могли быть сделаны одноместными.

Пространственные формы действительного мира составляли предмет геометрии, которая могла совсем не интересоваться тем, как развертываются события во времени. Специальной же науки о времени — какой-нибудь хронометрии — вообще не было: простота соотношений во времени (вследствие его «одномерности») делала ее излишней.

Конечно, и до Эйнштейна ничто не мешало физикам пользоваться пространственно-временными графиками и рассматривать совокупность всех мыслимых событий как некоторое четырехмерное многообразие, т. е. как множество элементов, каждый из которых характеризуется четверкой чисел (х, у, z, t).

Четырехмерный характер многообразия правильно отражает соотношения близости, или соседства между событиями: у каждого события имеются «соседи» не только слева — справа, сзади — спереди и сверху — снизу, но также и раньше — позже. Пространственно - временной график является условным изображением реального четырехмерного многообразия событий.

Если ограничиться событиями, происходящими только на плоскости хОу, то пространственно-временное многообразие этих событий может быть условно изображено на трехмерном пространственно-временном графике, построенном в трехмерном пространстве. К сожалению, столь же наглядное изображение четырехмерного пространственно-временного графика невозможно, хотя четырехмерное многообразие событий вполне реально — ведь это и есть наш мир, существующий во времени, включая его прошлое, настоящее и будущее.

При изменении системы координат (т. е. при переносе ее начала или повороте осей) пространственные координаты х, у меняются, причем новая координата х зависит не только от старой координаты х, но и от старой координаты у. Однако это никак не может повлиять на момент события t.

При изменении начала отсчета времени меняется и временная дата события t, но это совсем не сказывается на его пространственных координатах х, y.

Пространственно-временное многообразие состоит как бы из слоев: каждый слой представляет множество событий, происшедших в один и тот же момент времени. Ни при каком изменении системы отсчета эти слои не «перемешиваются» между собой (события, одновременные в одной системе, остаются одновременными и в другой). Вот почему в дорелятивистской физике не было никакой надобности изучать свойства четырехмерного пространственно-временного многообразия событий в целом: достаточно было изучать порознь отдельные его слои, или сечения, соответствующие фиксированным моментам времени.

Так обстояло дело до появления теории относительности. Новое физическое учение о времени и пространстве — частная теория относительности — должно было решительно отказаться от раздельного рассмотрения пространственных и временных соотношений. В отличие от преобразования Галилея, в преобразовании Лоренца пространственная координата х и время t участвуют совершенно симметрично. При изменении системы отсчета последовательность событий во времени меняется в зависимости от их пространственного расположения.

При изменении системы отсчета слои пространственно-временного графика перемешиваются между собой: события, одновременные в старой системе, становятся разновременными, и наоборот. Именно поэтому вместо раздельного изучения геометрии пространства и хронометрии времени теория относительности настаивает на целостном изучении свойств пространственно-временного многообразия событий. При этом наиболее целесообразным оказывается использование геометрических методов и геометрической терминологии (благо геометрия пространств с любым числом измерений разрабатывалась математиками и независимо от нужд теории Эйнштейна).

Неверно, будто теория относительности «открыла» четвертое измерение пространства: реальное пространство, в котором происходят физические явления, трехмерно. Нет в теории относительности также и никакого отождествления времени и пространства: это две существенно различные формы бытия материи. Временная дата события является четвертой расширенной координатой, но ее ни в коем случае нельзя считать четвертой пространственной координатой.

Но теория относительности устраняет метафизический разрыв между пространственными и временными соотношениями, их мнимую независимость друг от друга, устанавливает между ними диалектическую связь.

Не отождествление времени и пространства, а совместное изучение их свойств путем разработки своеобразной геометрии (точнее следовало бы сказать хроногеометрии) четырехмерного пространственно-временного многообразия — такова основная тенденция теории Эйнштейна. Особенно выпукло она проявляется в так называемой общей теории относительности, т. е. эйнштейновской теории всемирного тяготения. Но уже и в рамках частной теории относительности целесообразно облечь ее основные положения в геометрическую форму.

Ю. И. СОКОЛОВСКИЙ - "ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В ЭЛЕМЕНТАРНОМ ИЗЛОЖЕНИИ"

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика