Происхождение названия “теория относительности”
Название “теория относительности” возникло из наименования основного
принципа (постулата), положенного Пуанкаре и Эйнштейном в основу из всех
теоретических построений новой теории пространства и времени.
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.
Дело в том, что к началу двадцатого века у физиков, строивших теорию
оптических и электромагнитных явлений по аналогии с теорией упругости,
сложилось ложное представление о необходимости существования абсолютной
неподвижной системы отсчета, связанной с электромагнитным эфиром.
Зародилось, таким образом, представление об абсолютном движении
относительно системы, связанной с эфиром, представление, противоречащее
более ранним воззрениям классической механики (принцип относительности
Галилея). Опыты Майкельсона и других физиков опровергли эту теорию
“неподвижного эфира” и дали основание для формулировки противоположного
утверждения, которое и получило название “принципа относительности”. Так
это название вводится и обосновывается в первых работах Пуанкаре и
Эйнштейна.
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.”
, кажется мне слишком бедным. Так как смысл постулата сводится к тому,
что в явлениях нам дается только четырехмерный в пространстве и времени
мир, но что проекции этого мира на пространство и на время могут быть
взяты с некоторым произволом, мне хотелось бы этому утверждению дать
название: постулат абсолютного мира”
Таким образом, мы видим, что названия “принцип относительности” и
“теория относительности” не отражают истинного содержания теории.
Теория относительности, как современная
теория пространства-времени.
Содержание теории относительности, как четырехмерной физической теории
пространства и времени, впервые отчетливо было вскрыто Германом
Минковским в 1908 г. Лишь опираясь на эти представления, Эйнштейн сумел
в 1916 г. построить общую теорию пространства-времени, включающую
явление гравитации (общая теория относительности).
Основным отличием представлений о пространстве и времени теории
относительности от представлений ньютоновской физики является
ограниченная взаимосвязь пространства и времени. Эта взаимосвязь
раскрывается в формулах преобразования координат и времени при переходе
от одной системе отсчета к другой (преобразования Лоренца)
составляющие воображаемую сетку и временную последовательность всех
возможных пространственных и временных точек. Одно и то же пространство
и время могут изображаться различными координатно-временными сетками
(системами отсчета).
причем эти числа не произвольны, а связаны с предыдущими совершенно
определенного вида формулами преобразования, которые и выражают свойства
пространства-времени.
с показаниями конкретных часов, расставленных в различных системах
отсчета. Тело отсчета необходимо для проведения конкретных измерений
пространственно-временных отношений.
Не следует однако отожествлять систему отсчета с телом отсчета, как это
предполагают физики. Физики при изображении явлений пользуются любыми
системами отсчета, в том числе и такими с которыми невозможно связать
какое-либо реальное тело. Основанием для такого выбора служит
представление о полном равноправии всех мыслимых систем отсчета.
Следовательно, выбор системы отсчета является лишь выбором способа
изображения пространства и времени для отображения исследуемого явления.
, определяемый для двух разобщенных событий как
(a)
остается одинаковым при переходе от Е к Е’, т.е.
(b)
(c)
(d)
В этих свойствах пространственно-временных координат и отражается
существо новых представлений о пространстве и времени, связанных в
единое геометрического типа многообразие, многообразие с особой,
определяемой (а) и (b) четырехмерной псевдоевклидовой геометрией,
геометрией, в которой время тесно связано с пространством и не может
рассматриваться независимо от последнего, как это видно из (d).
Из этих же представлений вытекают важнейшие следствия для законов
природы, выражаемые в требовании ковариантности (т.е. неизменяемости
формы) любых физических процессов по отношению к преобразованиям
четырехмерных пространственно-временных координат. В требовании также
отражается представление о пространстве-времени как о едином
четырехмерном многообразии. Так представляют себе физики, конкретно
применяющие теорию относительности, ее реальное содержание. При этом
понятие относительности приобретает лишь смысл возможной множественности
пространственно-временных изображений явлений при абсолютности
содержания, т.е. законов природы.
Постулаты Эйнштейна.
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.
, 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.
, однако, в отличие от преды-
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. Необходимость такого истолкования содержания
теории относительности легко доказывается, если обратиться к одному из
возможных выводов преобразований Лоренца, опирающемуся на постулат
относительности и вместо постулата о постоянстве скорости света
использующему лишь допущение о зависимости массы тела от скорости.
Вывод преобразований Лоренца без постулата
о постоянстве скорости света.
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.
1. Вследствие однородности пространства и времени преобразования должны
быть линейными.
, то
.
суть константы.
.
.
.
, должны также иметь вид преобразований (g). Это вытекающее из принципа
относительности требование, в совокупности с предыдущими требованиями
обратимости, симметрии и т.д. означает, что преобразования должны
составлять группу.
6. Итак, в преобразованиях (h) ( является константой, имеющей
размерность квадрата скорости. Величина и даже знак этой константы не
могут быть определены без привлечения каких-либо новых допущений,
опирающихся на опытные факты.
.
0
I
I
a
o
AE
E
o
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
