Мегамир: концепции теории относительности

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • основные концепции теории относительности;
• • корпускулярные и континуальные концепции в естествознании;
• • Максвелловскую картину мира;

уметь

• • ориентироваться в основных этапах эволюции понятий «волна» и «частица»;
• • определять, когда при описании оптических явлений следует исходить из волновых, а когда из корпускулярных свойств света;
• • объяснять, почему при описании оптических явлений используют только электрическую компоненту электромагнитной волны;

владеть

• • навыком определять, когда следует применять релятивистский подход к описанию действительности, а когда — нет;
• • методами анализа явлений мегамира;
• • навыками использования основных соотношений электромагнетизма, заданных в векторной форме.

Пространство-время. Принципы относительности

Эволюция представлений о пространстве и времени

Вопрос о том, что такое пространство и время, занимал людей с давних пор. Изначально древние люди исходили из очевидных представлений о пространстве как вместилище окружающих тел и о времени как о последовательной смене событий, об изменении окружающих предметов, о круговороте циклических процессов.

В «Началах» древнегреческого математика Евклида было описано однородное бесконечное пространство, в котором две параллельные прямые нигде не пересекаются (это представление широко используется и в современной науке). Понятию времени в этот период приписывались равномерность и неизменность течения.

Огромный вклад в дальнейшее развитие представлений о пространстве внес итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564—1642). Он сформулировал один из основных принципов классической механики — принцип относительности. Согласно этому принципу, все механические явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью.

Далее следует отметить развитые Ньютоном понятия о времени и пространстве. Он ввел представление об абсолютном («математическом») времени, протекающем равномерно (иначе называющимся «длительностью»), и об абсолютном пространстве, всегда одинаковом и неподвижном. Он также рассматривал относительное (или «обыденное») время, употребляемое в обыденной жизни (например, день, месяц, год), и относительное пространство, в котором происходит субъективное определение изменения положения одних объектов относительно других.

К началу XX в. возникла необходимость в коренном пересмотре наших представлений о пространстве и времени. Классическая физика распространяла принцип относительности только на законы механики. Специальная теория относительности распространялась уже на все законы природы. В рамках этой теории считалось, что запись физических законов в разных инерциальных системах остается инвариантной. А это значит, что результаты экспериментов в разных инерциальных системах всегда будут одинаковы.

Итак, задачей специальной теории относительности стал пересмотр представлений классической физики о пространстве и времени, в результате чего был осуществлен переход от абсолютного пространства и времени к абсолютному единому пространству-времени.