Простейшая симметрия (асимметрия) в пространстве и времени

       Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна.

     В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

     Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

      Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея — Ньютона и электродинамики Максвелла- Лоренца. «Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем»

     Если бы были найдены абсолютные  пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы равноправны. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. «Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света».

  Скорость  света является предельной скоростью  распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

     Время же необратимо. Отсюда известный парадокс близнецов. После путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он с удивлением увидит, что его брат стал старше его. Можно даже рассчитать такой полет.

      Представим себе, что с Земли  стартовал космический корабль  со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Но согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца.

  Физиологические процессы здесь совершенно ни при чем. Нельзя спрашивать, почему за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Теория относительности доказала, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.

     Говоря об относительности пространственных и временных величин в разных системах отсчета, следует помнить, что в теории относительности мы наблюдаем неразрывную связь относительного и абсолютного как одно из проявлений физической симметрии. Поскольку скорость света является абсолютной величиной, то и связь пространства и времени обнаруживается как некоторая абсолютная величина. Она выражается в так называемом пространственно-временном интервале. В каждой системе отсчета длина тела и временной промежуток будут различны, а эта величина останется неизменной. Увеличение длины будет соответствовать уменьшению промежутка времени в данной системе, и наоборот.

     В общей теории относительности (ОТО), или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей.

    Какие же следствия для пространства и времени вытекают из общей теории относительности? Для этого нужно обратиться вначале к геометрии, которая возникла прежде всего как учение о физическом пространстве, измерении земельных площадей и строительных сооружений. Но уже в древности появилась теоретическая, аксиоматическая геометрия Евклида, которая оставалась единственной до XIX в. Правда, до конца XIX в. не делалось какого-либо различия между теоретической и физической геометрией.

  С геометрией Евклида связывался тот  взгляд, что пространство везде одно и то же. Она исходила из пяти аксиом, или постулатов. Многих математиков не удовлетворял пятый постулат, который гласил, что из одной точки на плоскости можно провести только одну прямую, которая не будет пересекаться с данной, сколько бы ее ни продолжали. Этот постулат не был очевиден, так как никто не мог бы его экспериментально подтвердить даже в воображении — нельзя же линию продолжить в бесконечность.

   Ряд известных математиков пытались доказать, что этот постулат на самом деле является теоремой, т.е. его можно вывести из четырех других. Но все их попытки оказались неудачными.

   И лишь Н.И. Лобачевский в России, Б. Риман в Германии и Я. Больяй в Венгрии построили новые геометрии, отбросив пятый постулат и заменив его на другие. Б. Риман заменил его на ак сиому, что через точку, лежащую вне данной прямой на плоскости, нельзя провести ни одной параллельной, все они будут пересекаться с данной прямой. Н.И. Лобачевский и Я. Больяй допустили, что существует множество прямых, которые не пересекутся с данной прямой.

     В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства - времени определяется распределением масс материи. Когда корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна в апреле 1921 г., в чем суть его теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».     

     Релятивисткие эффекты.

     Под релятивистскими эффектами  в теории относительности понимают  изменения пространственно-временных  характеристик тел при скоростях,  соизмеримых со скоростью света.

     В качестве примера обычно  рассматривается космический корабль  типа фотонной ракеты, который  летит в космосе со скоростью,  соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

     1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии (E= mc²). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.

     2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать. 3. Замедление времени. В космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.

     Эффект замедления времени сказался  бы не только на часах внутри  корабля, но и на всех процессах,  протекающих на нем, а также  на биологических ритмах космонавтов.  Однако фотонную ракету нельзя  рассматривать как инерциальную  систему, ибо она во время  разгона и торможения движется  с ускорением (а не равномерно  и прямолинейно).

В те    ории относительности предложены принципиально новые оценки пространственно-временных отношений между физическими объектами. В классической физике при переходе от одной инерциальной системы (№ 1) к другой (№ 2) время остается тем же – t₂ = t_L а пространственная координата изменяется по уравнению x₂ = x₁– vt. В теории относительности применяются так называемые преобразования Лоренца:

     Из отношений видно, что пространственные  и временные координаты зависят  друг от друга. Что касается  сокращения длины в направлении  движения, то

а ход  времени замедляется:

     В 1971 г. в США был поставлен эксперимент по определению замедления времени. Изготовили двое совершенно одинаковых точных часов. Одни часы оставались на земле, а другие помещались в самолет, который летал вокруг Земли. Самолет, летящий по круговой траектории вокруг Земли, движется с некоторых ускорением, и значит, часы на борту самолета находятся в другой ситуации по сравнению с часами, покоящимися на земле. В соответствии с законами теории относительности часы-путешественники должны были отстать от покоящихся на 184 нс, а на самом деле отставание составило 203 нс. Были и другие эксперименты, в которых проверялся эффект замедления времени, и все они подтвердили факт замедления. Таким образом, разное течение времени в системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, является непреложным экспериментально установленным фактом.

                                Симметрия и законы сохранения.

     Под симметрией понимают однородность, пропорциональность, гармонию каких-то материальных объектов. Асимметрия – понятие противоположное. Любой физический объект содержит элементы симметрии и асимметрии.

     В физике симметрия определяется  следующим образом: если физические  законы не меняются при определенных  преобразованиях, которым может  быть подвергнута система (физический  объект), то считается, что эти  законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно этих преобразований.

     Симметрии делят на пространственно-временные и внутренние, последние относятся только к микромиру.

     Среди пространственно-временных  рассмотрим основные.

     1. Сдвиг времени. Изменение начала отсчета не изменяет физических законов. Время однородно по всему пространству.

     2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат. Такая операция не изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и пространство однородно.

     3. Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет физические законы неизменными – значит, пространство изотропно.

     4. Классический принцип относительности Галилея устанавливает симметрию между покоем и равномерным прямолинейным движением.

     5. Обращение знака времени не изменяет фундаментальных законов в макромире, то есть процессы макромира могут описываться и при обращении знака времени. На уровне макромира наблюдается необратимость процессов, так как они связаны с неравновесным состоянием Вселенной.

     Переход от одной инерциальной  системы к другой можно осуществлять  следующими преобразованиями:

1. Сдвиг начала координат. Это связано с физической эквивалентностью

всех  точек пространства, т. е. с его  однородностью. В этом случае говорят  о симметрии относительно переносов  в пространстве.

2. Поворот тройки осей координат. Эта возможность обусловлена

одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т. е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов.