Смекни!
smekni.com

Общие положения теории относительности (стр. 4 из 7)

Сопоставляя релятивистскую причинность с классической, можно увидеть некоторую существенную для истории науки связь между ме­ханической картиной мира и ее релятивистским обобщением. Причин­ная связь между двумя событиями в отдаленных точкаха1 и а2 сос­тоит в том, что событие в точке а1 вызывает отправление некоторо­го сигнала, который, прибыв в точку а2, вызывает здесь второе со­бытие. Первым событием может быть, например, выстрел, а вторым - попадание снаряда в цель. Причинная связь состоит в движении сна­ряда, играющего в этом примере роль сигнала. Бесконечная скорость сигнала означала бы, что причина (отправление передающего воз­действия сигнала из а1) и следствие (его приход в а2) возникают одновременно. Следовательно, причинная связь может быть представ­лена в чисто пространственном аспекте. Чтобы придать понятию при­чинной связи пространственно-временной вид, нужно найти предел скоростей, и он был найден в постоянной скорости распространения электромагнитного поля.

Обобщение, о котором идет речь, связано с новой трактовкой условий тождественности движущегося объекта. Тождественным себе может быть объект, движение которого подчинено условию: расстоя­ние между точками а1 и а2 пребывания тела в моменты t1 и t2 не должно быть больше, чем скорость света, умноженная наt1-t2. Если это условие не соблюдено, то перед нами не движущийся тождествен­ный себе объект, а различные нетождественные объекты.

Обратимся теперь к динамическим выводам из существования границы механических скоростей.

Если тело движется со скоростью, близкой к скорости света, и на него начинает действовать дополнительная сила, то ускорение не может быть таким, чтобы тело достигло скорости, превышающей ско­рость света. Чем ближе к скорости света, тем больше тело сопро­тивляется силе, тем меньшее ускорение вызывает одна и та же при­ложенная к телу сила. Сопротивление тела ускорению, т.е. масса тела, растет со скоростью и стремится к бесконечности, когда ско­рость тела приближается к скорости света. Таким образом, масса тела зависит от скорости его движения, она растет при растет при возрастании скорости и пропорциональна энергии движения. Что ка­сается массы покоящегося тела, она связана определенным отношени­ем с внутренней энергией - энергией покоящегося тела. Эта энергия равна массе покоя, умноженной на квадрат скорости света. Если энергия движения тела переходит в его внутреннюю энергию (напри­мер, тепловую энергию или энергию химических связей), от соот­ветственно возрастанию энергии возрастает масса покоя.

Но масса покоя отнюдь не равна сумме заключенной в теле теп­ловой, химической и электрической энергии, деленной на квадрат скорости света. Этой сумме соответствует очень небольшая часть всей энергии покоя. Переход энергии движения двух тел в энергию покоя, например при неупругом соударении этих тел, увеличивает энергию на ничтожную величину по сравнению со всей энергией по­коя. В свою очередь переход теплоты в энергию движения тел умень­шает энергию покоя (и массу покоя) на ничтожную долю. Тело с тем­пературой, равной абсолютному нулю, с нулевой химической и элект­рической энергией обладало бы энергией покоя и массой покоя, лишь в ничтожной мере уменьшившимися по сравнению с телом обычной тем­пературы и с обычными запасами химической и электрической энер­гии.

До середины нашего столетия во всех областях техники исполь­зовали лишь подобные ничтожные изменения энергии покоя и массы покоя тел. Сейчас появились практически применяемые реакции, при которых затрачивается или пополняется основной массив заключенной в веществе энергии покоя.

В современной физике существует представление о полном пере­ходе энергии покоя в энергию движения, т.е. о превращении части­цы, обладающей массой покоя, в частицу с нулевой массой покоя и очень большой энергией движения и массой движения. Такие переходы наблюдаются в природе. До практического применения подобных про­цессов еще далеко. Сейчас используются процессы, освобождающие внутреннюю энергию атомных ядер. Атомная энергетика оказалась ре­шающим экспериментальным и практическим доказательством теории относительности Эйнштейна.

Разумеется в 1905 г., когда была опубликована первая статья Эйнштейна о теории относительности, никто не мог предвидеть конк­ретных путей научно-технической революции, призванной воплотить в жизнь новое учение о пространстве, времени и движении. В теории относительности видели поразительно глубокое, стройное и смелое обобщение и истолкование уже известных экспериментальных данных, прежде всего фактов, свидетельствующих о постоянстве скорости света, о ее независимости от прямолинейного и равномерного движе­ния системы, через которую проходит световой луч.

Вместе с тем ученые понимали, что, отвергнув, казалось бы очевидное, классическое понятие одновременности, отказавшись от не менее очевидного классического правила сложения скоростей, до­пуская и обсуждая парадоксальные, на первый взгляд, выводы, физи­ка овладевает очень мощным оружием.

Покинув пристань ньютоновской механики, бросив вызов "оче­видности", не ограничивая отныне свои пути традиционным фарвате­ром, наука может открыть новые берега. Какие плоды зреют на этих берегах, что получит практика от новых теоретических обобщений, тогда еще не знали. Существовала лишь, как уже было сказано, ин­туитивная уверенность, что смелости и широте новых идей должны соответствовать некоторые коренные технические культурные сдвиги.

Как бы то ни было, дело было сделано. В науку были пущены идеи, которым предстояло революционизировать учение о космосе и микромире, учение о движении и энергии, представление о прост­ранстве и времени, а впоследствии стать основой атомной энергети­ки. Эти идеи стали жить своей жизнью.

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.

Ранее уже говорилось, что положение точки на плоскости может быть задано двумя числами, измеряющими длины перпендикуляров, опущенных на оси некоторой координатной системы. 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, движцщейся 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 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.