Некоторые парадоксы теории относительности
| Загрузить архив: | |
| Файл: 240-1136.zip (163kb [zip], Скачиваний: 61) скачать |
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.[ГАсГ1]
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... “[1] 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.” [2]
Но
крупнейший советский теоретик Л. И. Мандельштам в своих лекциях по теории
относительности [3]
разъяснял: “Название “принцип относительности” - одно из самых неудачных.
Утверждается независимость явлений от неускоренного движения замкнутой системы.
Это вводит в заблуждение многие умы” На неудачность названия указывал и один из
творцов теории относительности, раскрывший ее содержание в четырехмерной
геометрической форме, - Герман Минковский. В 1908 г. он утверждал: “... термин
“постулат относительности” для требования инвариантности по отношению к группе 
, 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”[4]
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)
Вообще
каждое физическое явление протекает в пространстве и времени и не может быть
изображено в нашем сознании иначе, как в пространстве и во времени.
Пространство и время суть формы существования материи. Никакой материи не существует
вне пространства и времени. Конкретным изображением пространства и времени
является система отсчета, т.е.
координатно-временное многообразие чисел 
Вместо
чисел 
Итак,
каждое возможное изображение пространства и времени можно связать с определенной
системой отсчета, систему отсчета - с реальным телом, координаты - с конкретными
точками тела, моменты 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.
Если
выбраны две системы отсчета 
и 
интервал
, определяемый для двух разобщенных событий как
(a)
остается одинаковым при переходе от Е к Е’, т.е.
(b)
Иначе говоря, 
является инвариантом преобразований Лоренца, связывающих
координаты и время в 
(c)
Из
(c), так же как
из (a) и (b), следует относительность одновременности пространственно
разобщенных событий, т.е. для двух событий, 
в системе
, будем иметь 
(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.
2.
Каждый луч света движется в “покоящейся” системе координат с определенной
скоростью 
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.
Пусть
в системе отсчета в начальный момент 
в точке, совпадающей с
началом координат произошла вспышка света. В последующий момент времени
с центром в начале
координат системы , движущейся
равномерно и прямолинейно вдоль оси 
с началом координат и
направлениями осей первоначальной системы свет также
распространится до сферы радиуса
радиуса однако, в отличие о предыдущей сферы должен лежать в
начале координат системы , а не . Несовпадение этих сфер, т.е. одного и того же физического
явления, представляется чем-то совершенно парадоксальным и неприемлемым с точки
зрения существующих представлений. Кажется, что для разрешения парадокса надо
отказаться от принципа относительности, либо от принципа постоянства скорости
света. Теория относительности предлагает, однако, совершенно иное разрешение
парадокса, состоящее в том, что события, одновременные в одной системе отсчета , неодновременны в другой, движущейся системе , и наоборот. Тогда одновременные события, состоящие в
достижении световым фронтом сферы, определяемой уравнением
, где одновременны другие события, состоящие в достижении
тем же световым фронтом точек сферы, определяемой уравнением 
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.
Различные системы отсчета по-разному
изображают одно и то же пространство и время как всеобщие формы существования
материи. Каждое из этих изображений обладает одинаковыми свойствами. Следовательно,
формулы преобразования, выражающие связь между координатами и временем в одной
- “неподвижной” системе 
с координатами и
временем в другой - “движущейся” системе 
1. Вследствие однородности пространства и времени преобразования должны быть линейными.
Действительно, если бы производные
функций 
по 
то и разности 
x‘ = 
зависят только от
проекций расстояний в неподвижной системе, т.е. от x= 
при 
т.е. 
или 
Аналогично
можно доказать, что производные 
по всем другим
координатам 
также равны
константам, а следовательно, и вообще все производные по 
суть константы.
2.
Выберем "движущуюся" систему точка, изображающая ее
начало координат, т.е. 
совпадала с точкой,
изображающей начало координат "неподвижной" системы, т.е. 
Здесь отсутствуют
члены, содержащие 
и 
и 
отсутствуют члены,
пропорциональные, соответственно, 
при и и в силу того, что ось все время совпадает с
осью и зависели от
3. Изотропность предполагает также
симметричность пространства. В силу же симметрии ничто не должно измениться в
формулах преобразования, если изменить знаки и и направление движения
системы 
(d) Сравнивая эти
уравнения с предыдущими (
Согласно этому соотношению,
(e), причем все
входящие в эти формулы коэффициенты 
суть симметрии функции
4. В силу принципа относительности обе системы,
"движущаяся" и "неподвижная", абсолютно эквивалентны, и
поэтому обратные преобразования от системы 
(если последнюю
считать неподвижной), влево со скоростью 
Замечая,
что коэффициенты 
Следовательно, извлекая квадратный
корень и замечая, что знак (-) так же, как и для 
5. Для определения вида обратимся вновь к принципу относительности. Очевидно, что
преобразования (g) должны быть универсальными и применимыми при любых переходах
от одних систем к другим. Таким образом, если мы дважды перейдем от системы
с координатами и
временем вгруппу.
Воспользуемся этим требованием
групповости преобразований. Пусть 
относительно
относительно системы
Тогда
согласно (g) 
Выражая
и 
Согласно
сформулированному выше требованию эти же преобразования должны записываться в
виде (g), т.е. 
в первой из этих
формул и при в первой из предыдущих
формул и при
6. Итак, в преобразованиях (h) 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.
Если положить 
Эти преобразования, справедливые
в механике малых скоростей (
h должна быть выбрана
конечной.
Из опыта известно, что при больших
скоростях, сравнимых со скоростью света, уравнения механики имеют вид 
- собственная масса,
совпадающая с массой частицы при малых скоростях (
см/сек, т.е.
совпадающая со скоростью света в пустоте. Этот опытный факт трактуется как
зависимость массы от скорости, если массу определить как отношение импульса
тела к его скорости.
Константа 
имеет такую же
размерность, какую имеет h, входящая в формулы
преобразования координат и времени (h). Естественно поэтому положить 
Пуанкаре назвал эти преобразования координат и времени преобразованиями Лоренца.
В силу обратимости обратные преобразования
Лоренца, очевидно, должны быть записаны в виде
Примененные нами соображения
размерности для выбора константы h не вполне, однако, однозначны,
т.к. вместо соотношения (j) с таким же правом можно было бы выбрать 
Оказывается, однако, что совпадающие с опытом уравнения механики (i) могут быть получены лишь как следствия преобразований Лоренца и не могут быть совмещены с преобразованиями, получающимися из допущения (k). Действительно, известно, что уравнения механики, опирающимися на преобразования Лоренца, являются уравнения Минковского, согласно которым масса увеличивается со скоростью по формуле
Итак, не обращаясь к постулату о постоянстве скорости света в пустоте, не ссылаясь на электродинамику и не используя свойств световых сигналов для определения одновременности, мы вывели преобразования Лоренца, используя лишь представление об однородности и изотропности пространства и времени, принцип относительности и формулу зависимости массы от скорости.
Обычно, следуя пути, намеченному еще
в первой работе Эйнштейна, вместо формулы зависимости массы от скорости
используют постулат о постоянстве скорости света в пустоте. Согласно этому
постулату при переходе от системы
после подстановки
формул преобразования (k) не изменяет своего вида, т.е. это уравнение переходит
в предыдущее, лишь в том случае, если
Мы применили иной вывод, не использующий постулат о постоянстве скорости света, с тем, чтобы показать, что преобразования Лоренца могут быть получены независимо от способа сигнализации, избранного для синхронизации часов, измеряющих время. Физики могли бы вообще ничего не знать о скорости света и о законах электродинамики, однако могли бы получить преобразования Лоренца, анализирую факт зависимости массы от скорости и исходя из механического принципа относительности.
Таким образом, преобразования Лоренца выражают общие свойства пространства и времени для любых физических процессов. Эти преобразования, как это выяснилось в процессе доказательства, составляют непрерывную группу, называемую группой Лоренца. В этом факте, в наиболее общем виде отображаются свойства пространства и времени, раскрытые теорией относительности.
Изображение преобразований Лоренца на плоскости Минковского.
Первыми наиболее поражающими следствиями преобразований Лоренца являются: сокращение движущихся масштабов в направлении движения и замедление хода движущихся часов. С точки зрения повседневных представлений о пространстве и времени эти следствия кажутся парадоксальными.
Исчерпывающее, но всегда кажущееся несколько формальным, разъяснение этих кинематических явлений дается на плоскости x, ct, если в соответствии с правилами четырехмерной геометрии Минковского изобразить на ней сетку координат "неподвижной" и сетку координат "движущейся" системы.
Преобразования
Лоренца оставляют инвариантным (неизменным) интервал
Совмещая первое событие с моментом
t=0 и началом отсчета системы 
интервал между вторым
и первым событием можно написать в виде 
псевдоевклидовой
геометрии интервал может быть действительной
или мнимой величиной. В частном
случае он может быть равен нулю для
несовпадающих событий.
Иногда кажется, что качественное
различие между четырехмерной евклидовой геометрией и четырехмерной псевдоевклидовой геометрией стирается,
если, воспользовавшись предложением Минковского, считать время пропорциональным
некоторой мнимой четвертой координате, т.е. положить 
В этом случае квадрат интервала
запишется как 
т.е. с точностью до
знака совпадает с (n). Однако в силу мнимости 
В силу инвариантности интервала
качественное различие связи между событиями не зависит от выбора системы
отсчета, и действительный, или времениподобный,
интервал (
пространственноподобный,
интервал (
Все эти особенности псевдоевклидовой
геометрии могут наглядно проиллюстрированы на плоскости Минковского 
Отрезками
0a и 0b на этой плоскости изображены соответственно единичные масштабы
временной оси 
и пространственной оси
а кривая, выходящая
вверх из точки b, является гиперболой, описываемой уравнением 
Таким образом, точка начала координат и все точки, лежащие на гиперболе, выходящей из точки a, разделены единичным времениподобным интервалом. Точки же, лежащие на гиперболе, выходящей из точки b, отделены от начала координат пространственноподобным интервалом.
Пунктирная линия, выходящая
параллельно оси 
На этой же плоскости нанесены линии 
и
соответственно изображающие точки с координатами 
Из рисунка видно, что переход от
системы S к системе 
Но преобразования (p) тождественны преобразованиям перехода от декартовых координат к косоугольным. При этих преобразованиях времениподобные векторы, т.е. векторы, направленные из начала отсчета в точки, лежащие выше линии OO', в любой системе координат также останутся времениподобными, т.к. концы векторов лежат на гиперболах. Следовательно, и пространственноподобные векторы во всех системах координат останутся пространственноподобными.
На плоскости Минковского видно, что
"пространственная" проекция единичного вектора 
Следовательно, масштаб, покоящийся в системеS оказался укороченным. Но
это утверждение обратимо, ибо "пространственная" проекция вектора Ob
на ось меньше, чем
Аналогично дело обстоит и с
"временными"проекциями на оси
и 
Отрезок 
S будет проектироваться как 
S окажется замедленным. Легко
проверить, что это явление также обратимо, т.е. ход часов, покоящихся в системеS, оказывается замедленным в системе
Сокращение движущихся масштабов.
Если длина неподвижного масштаба может быть измерена путем прикладывания к нему эталонных масштабов, без использования каких-либо часов, то длину движущегося масштаба невозможно измерить из неподвижной системы отсчета без использования часов или сигналов, отмечающих одновременность прохождения концов измеряемого масштаба относительно точек эталона. Таким образом, под длиной движущегося масштаба надо понимать расстояние между его концами, измеренное при помощи неподвижного эталона в один и тот же момент времени для каждого конца. Одновременность измерения положений концов является существенно необходимым условием опыта. Легко видеть, что нарушение этого условия может привести к тому, что измеренная длина может оказаться любой, в том числе отрицательной или равной нулю.
прохождения концов
масштабы мимо точек 
Парадоксальность этого вывода
состоит в том, что в силу принципа относительности точно такая же формула
должна получиться для длины масштаба, находящегося в системе S и измеряемого из системы
Противоречие, однако, снимается,
если учесть, что относительность предполагает совершенно симметричное измерение
всей системы измерения, т.е. переход от предыдущего рисунка к следующему рисунку:
В этой схеме уже 
S, но в один и тот же момент
по часам, находящимся в системе
измеряются иначе, чем
Следовательно, укорочение или удлинение измеряемых масштабов зависит лишь от того, в какой системе отсчета производятся одновременные измерения положений концов масштабов, ибо события, одновременные в одной системе отсчета, неодновременны в другой.
Замедление движущихся часов.
Замедление движущихся часов может быть обнаружено в следующем опыте:
n часы, измеряющие время
Путь за время движения от точки стрелки движущихся
часов отмеряют промежуток времени 
S часов 1 и 2 отмеряют
промежуток времени t. Таким образом, 
Эта формула означает, что промежуток
времени, отмеченный неподвижными часами, оказывается большим, чем промежуток
времени, отмеренный движущимися часами. Но это означает, что движущиеся часы
отстают от неподвижных, т.е. их ход замедляется. Эта формула также обратима,
как и соответствующая формула для масштабов. Однако написав обратную формулу в
виде 
Парадокс часов.
Более поразительным и вызывающим
большое число споров и недоразумений является так называемый "парадокс
часов". Путь часы А находятся в точке 1 в неподвижной инерциальной системе
отсчета S , а одинаковые с ними часы
В, находившиеся в начальный момент также в точке 1, движутся к точке 2 со скоростью
n. Затем, пройдя путь n, возвращаются в точку 1
Если время, требуемое на изменение скорости
часов В на обратную, достаточно мало по сравнению с временем прямолинейного и
равномерного движения от точки 1 до точки 2, то время t, отмеренное часами А, и время 
d - возможная малая поправка
на время ускоренного движения часов В. Следовательно, часы В, вернувшись в
точку 1, реально отстанут от часов А
на время 
Поскольку расстояние d может не приниматься во внимание вообще.
Особенность
этого кинетического следствия преобразований Лоренца состоит в том, что здесь отставание
хода движущихся часов является вполне реальным
эффектом, а не результатом избранной процедуры измерения, как это имело
место выше. Реально должны отставать все процессы, связанные с системойS. В том числе должны отставать и
биологические процессы организмов, находящихся вместе с часами В. Должны
замедляться физиологические процессы в организме человека, путешествующего в
системев момент ее возврата в
точку 1, окажется менее постаревшим, чем организм, оставшийся в системеS.
Парадоксальным
представляется здесь то, что один из часов реально
отстают от других. Ведь это кажется противоречащим самому принципу
относительности, т.к. согласно последнему любую из систем S и
Ошибочность
последнего рассуждения состоит в том, что системы S иS все время инерциальна, система же некоторый промежуток
времени, когда производится изменение ее скорости на обратную, неинерциальна.
Следовательно, вторая из формул (v) для системы неправильна, т.к. во
время ускорения ход удаленных часов может сильно измениться за счет
инерциального гравитационного поля.
Однако и это совершенно правильное
объяснение представляется весьма поразительным. Ведь в течении большого
промежутка времени обе системы движутся друг относительно друга прямолинейно и
равномерно. Поэтому, с точки зрения системы S, отстают (но не уходят
вперед) в полном соответствии с формулой (v). И лишь за малый промежуток
времени, когда в системе 
Отрезок 0b на этом
рисунке изображает покоящиеся часы А, ломаная линия 0ab - движущиеся часы В. В
точке a действуют силы, ускоряющие систему часов В и изменяющие ее скорость на
обратную. Точки, расставленные на оси 0b, разделяют единичные промежутки
времени в неподвижной системеS, связанной с часами А.
Точки на ломаной 0ab отмечают равные
единичные промежутки времени, измеряемые часами В, находящимися в системеn. Но через малый промежуток
времени, требуемый для замедления часов В и сообщения им скорости -n на часах В практически останется тот же
момент a, но одновременным с ним моментом в системеS станет момент a2. То есть, почти мгновенно
время системы S как бы перескочит на
конечный интервал a1a2.
Этот перескок времени не является,
однако, реально наблюдаемым эффектом. Действительно, если из системы S регулярно, через единичные интервалы
посылать в систему S, сперва более редко, а
затем, после изменения скорости на обратную, более часто. Никакого разрыва в
показаниях часов А в системеТаким
образом, "парадокс часов" также является лишь непривычным для обычных
представлений о пространстве и времени следствием псевдоевклидовой геометрии
четырехмерного пространственно-временного многообразия.
Список используемой литературы.
1. "Принцип относительности"; Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн, Минковский; ОНТИ., 1935 г.
2. Полное собрание трудов; Л. И. Мандельштам.
3. "Парадоксы теории относительности"; Я. П. Терлецкий; Москва., 1965 г.
4. "Физика пространства-времени"; Э. Ф. Тейлор; Москва., 1963 г.
5. "Общая теория относительности"; Н. В. Мицкевич; Москва., 1927 г.
[1] “Принцип относительности” Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский; ОНТИ ; 1935 г., стр. 134
[2] “Принцип относительности” Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский; ОНТИ ; 1935 г., стр. 51
[3] Полное собрание трудов, Л. И. Мандельштам; Том 5, стр. 172
[4] “Принцип относительности” Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн и Минковский; ОНТИ ; 1935 г., стр. 192
[ГАсГ1]