Концепція відносності простору-часу

Поняття простору й часу

У механістичній картині миру поняття простору й часу розглядалися поза зв'язком і безвідносно до властивостей матерії, що рухається. Простір у ній виступає у вигляді своєрідного вмістища для тіл, що рухаються, а час - ніяк не враховує реальні зміни, що відбуваються з ними, і тому виступає просто як параметр, знак якого можна міняти на зворотний. Іншими словами, у механіку розглядаються лише оборотні процеси, що значно спрощує дійсність.

Інший недолік цієї картини полягає в тому, що в ній простір і час як форми існування матерії вивчаються окремо, внаслідок чого їхній зв'язок залишається невиявленої. Сучасна концепція фізичного простору - часу значно збагатила наші природно наукові уявлення, які стали ближче до дійсності. Тому знайомство з ними ми почнемо з теорії простору - часу в тім виді, як вона представлена в сучасній фізиці. Попередньо, однак, нагадаємо деякі положення, що ставляться до класичної механіки Галілея.

Принцип відносності в класичній механіці

Уперше цей принцип був установлений Галілеєм, але остаточне формулювання одержав лише в механіку Ньютона. Для його розуміння нам буде потрібно ввести поняття системи відліку, або координат. Як відомо, положення тіла, що рухається, у кожний момент часу визначається стосовно деякого іншого тіла, що називається системою відліку. Із цим тілом зв'язана відповідна система координат, наприклад, звична нам декартова система. На площині рух тіла або матеріальної крапки визначається двома координатами: абсцисою х, що показує відстань крапки від початку координат по горизонтальній осі, і ординатою в, що вимірює відстань крапки від початку координат по вертикальній осі. У просторі до цих координат додається третя координата. Серед систем відліку особливо виділяють інерціальні системи, які перебувають друг щодо друга або в спокої, або в рівномірному й прямолінійному русі. Особлива роль інерціальних систем полягає в тім, що для них виконується принцип відносності.

Принцип відносності означає, що у всіх інерціальних системах всі механічні процеси відбуваються однаковим образом.

У таких системах закони руху тіл виражаються тією же самою математичною формою, або, як прийнято говорити в науці, вони є коваріантними. Дійсно, два різних спостерігачі, що перебувають в інерціальних системах, не помітять у них ніяких змін.

Спеціальна теорія відносності і її роль у науці

Коли в природознавстві панувала механістична картина миру й існувала тенденція зводити пояснення всіх явищ природи до законів механіки, принцип відносності не піддавався ніякому сумніву. Положення різко змінилося, коли фізики впритул приступилися до вивчення електричних, магнітних і оптичних явищ. Максвелл об'єднав всі ці явища в рамках єдиної електромагнітної теорії. Зі створенням цієї теорії для фізиків стала очевидної недостатність класичної механіки для опису явищ природи. У зв'язку із цим природно виникло запитання: чи виконується принцип відносності й для електромагнітних явищ?

Описуючи хід своїх міркувань, творець теорії відносності Альберт Ейнштейн указує на два аргументи, які свідчили на користь загальності принципу відносності.

Цей принцип з великою точністю виконується в механіку, і тому можна було сподіватися, що він виявиться правильним і в електродинаміку.

Якщо інерціальні системи нерівноцінні для опису явищ природи, то розумно припустити, що закони природи простіше всього описуються лише в одній інерціальної системі. Наприклад, у системі відліку, пов'язаної з вагоном, що рухається, механічні процеси описувалися б складніше, ніж у системі, віднесеної до залізничного полотна. ............