Пространство и время в теории относительности.

Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 году Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она основывается на двух принципах: постоянства скорости света в пустоте и относительности. Согласно первому принципу или постулату, скорость света в пустоте является предельной скоростью физических взаимодействий, она постоянна и составляет 300000 км / сек. Постулат относительности утверждает, что законы электромагнитных явлений инвариантны, независимы от равномерного и прямолинейного движения систем. На основе этих принципов Эйнштейн разработал теорию физического пространства и времени, в которой последние оказываются зависимыми от движения физических тел: по мере приближения скорости движения тел к скорости света протяженность тел сокращается, а время течет медленнее. Используя формулы Лоренца, эту зависимость можно представить следующим образом:

,    где: l – длина тела в движущейся системе со скоростью ;

l0 - длина тела в покоящейся системе.

,

Эффекты специальной теории относительности обнаруживаются при скоростях, близких к световым. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в два раза с точки зрения наблюдения на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой как была при отлете. Время же - необратимо. Отсюда известный парадокс близнецов. После путешествия одного из близ-нецов на ракете, летевшей близко 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 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет. Но согласно формулам СТО по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50 – летний сын будет приветствовать 26 – летнего отца.

Релятивистское замедление является экспериментальным фактом. В космических лучах в верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые p–мезонами или пионами. Собственное время жизни пионов – 10-8 сек. За это время, двигаясь даже со скоростью почти равной скорости света, они могут пройти не больше, чем 300 см. Но приборы их регистрируют на поверхности Земли, то есть они проходят путь, равный 30 км или в 10000 раз больше, чем это возможно. Теория относительности так объясняет этот факт: 10-8 сек. является естественным временем жизни мезона, измеренным по часам, движущимся вместе с мезоном, то есть покоящемся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше и за это время частицы в состоянии пройти земную атмосферу .

Представления СТО оказались в противоречии с представлениями классической механики. Из основных положений этой теории вытекало, что одновременность различных событий носят не абсолютный, а относительный характер. В классической физике абсолютный характер одновременности был связан с представлением о возможности мгновенной передачи физических взаимодействий в любую точку пространства. Эйнштейновское определение одновременности базируется на представлении о конечной скорости распространения любых материальных сигналов. Отсюда следует, что события, одновременные в одной движущейся материальной системе, могут оказаться неодновременными в другой системе, может даже изменится сам порядок их следования. Таким образом, можно говорить о собственном времени каждой системы отсчета. Универсальное абсолютное ньютоновское время должно уступить место бесконечным собственным временам различных инерциальных систем.

Специальная теория относительности связала воедино пространство и время, но она рассматривает их еще до некоторой степени самостоятельно по отношению к материи. Общая теория относительности (ОТО) или теория тяготения, созданная Эйнштейном через 10 лет после специальной, окончательно преодолевает эту ограниченность. Она рассматривает пространственно – временные характеристики в зависимости от рас-пределения вещества и поля во Вселенной: чем выше плотность вещества и поля, тем более искривлено пространство и тем сильнее эффект ''замедления времени'' под действием полей тяготения. Величина кривизны пространства и замедления ритма времени определяется величиной, движением и распределением материальных масс, напряженностью, поля тяготения.

В ОТО Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерциальных и гравитационных, или эквивалентности инерцион-ных и гравитационных полей. Общая теория относительности заменяет закон тяготения Ньютона новым уравнением тяготения. Закон Ньютона получается как предельный случай эйнштейновских уравнений. Рассчитанное теоретически Эйнштейном отклонение луча света было впоследствии экспериментально подтверждено во время солнечного затмения, когда луч света от звезды проходит вблизи поля тяготения Солнца.

Таким образом, теория относительности исключила из науки понятие абсолютного пространства и абсолютного времени, обнаружив тем самым несостоятельность субстан-циальной трактовки пространства и времени как самостоятельных, независимых  от материи форм бытия. Она показала зависимость пространственно – временных свойств от характера материальных систем, подтвердилась правильность трактовки пространства и времени как основных форм существования материи. Сам Эйнштейн, отвечая на вопрос о сущности теории относительности сказал: ''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''.

Общая теория относительности показала зависимость геометрии от физики, зависимость геометрических свойств пространства и времени от физических свойств материи. На основании ОТО возникла релетивистская космология в которой выдвинут ряд современных моделей Вселенной.