Теория относительности

Альберт Эйнштейн (1879–1955) предложил совершенно новую тео­рию пространства и времени – специальную теорию относительности (СТО). Основу его теории составляют два постула­та: 1) скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движе­ния наблюдателя или источника света; 2) все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Другими словами, во всех инерциальных системах отсчета неизменным остается пространственно-временной интервал.

СТО установила, что абсолютной одновременности событий, происходящих в разных системах, т.е. в разных условиях движения, не может быть, ибо не существует единого всегда и везде равномерного потока времени, что эта одновременность носит относительный характер. Пространственные и временные характеристики в различных соотносительных материальных системах отсчета будут различными. Эти изменения зависят от скорости относительного движения тел.

По мере возрастания скорости движения длина движущегося тела в направлении движения сокращается и течение времени соответственно замедляется (релятивистское замедление времени). Если космический корабль с большой скоростью проносится мимо, то неподвижному наблюдателю его длина кажется короче. Чем ближе к скорости света, тем более становится этот эффект. При с = 300 тыс. км/с, длина тела = 0.

В таком космическом корабле время течет медленнее. Отсюда парадокс близнецов, которые будут стареть неравномерно, если один из них отправился с космической скоростью в путешествие. Когда атомные часы отправляли на сверхзвуковом самолете в кругосветный перелет, то по возвращению на Землю разница во времени составляла около 40 атомных единиц.

Специальная теория относительности установила органическую связь пространства и времени, связав их в единое целое – пространственно-временной континуум. 4-мерное пространство-время отныне не рассматриваются обособленно, а являются выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не могут.

В 1916 г. Эйнштейн добавил в СТО положение о поле тяготения. В результате получилась общая теория относи­тельности (ОТО), или обобщенная теория тяготения. Пространство в понимании общей теории относительности – это атрибут материи, обусловленный связями и взаимосвязями, расположенных в нём тел. Свойства пространства и времени в его теории определяются концентрацией и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тя­готеющих масс, а, следовательно, и поля тяготения, пространство ис­кривляется, становится неевклидовым, а время изменяет ритм течения. Тело влияет на геометрию пространства примерно также как волейбольный мяч на сетку. Благодаря наблюдениям солнечного затмения 1919 года были получены экспериментальные доказательства такого следствия общей теории относительности, как искривление луча света в поле тяготения массивных тел. Излучением от звезд, находящихся за солнцем: мы их видим искаженно, засчет того, что масса солнца искривляет их свет.

Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности масс: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить покой в гравитационном поле от ускоренного движения по отношению к «подвижным» звёздам.

Передвигаться со скоростью света может только фотон, частица, не имеющая массы покоя. Если предположить, что мы разгоняем обычное тело к световой скорости, его масса должна увеличиться в огромной пропорции[20]. Поэтому никакое тело с отличной от нуля массы нельзя разогнать до скорости света, т.к. для этого требуется бесконечная энергия. Вещество не может двигаться со скоростью большей, чем скорость света в вакууме. Никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе был бы нарушен закон причинности (причина предшествует следствию).

Физик Риман рассчитал, что при приближении к скорости света, пространство сворачивается в параболы. Путь, образуемый через свернутое пространство получил название «Прокол Римановой складки».

Многомерность мира

Хотя соотношение между количеством материи и степенью кри­визны простое, но сложны расчеты – для описания кривизны в каж­дой точке нужно знать значения двадцати функций пространствен­но-временных координат. Десять функций соответствуют той части кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, т. е. в виде «ряби» кривизны, остальные десять – определяются рас­пределением масс, энергии, импульса, углового момента, внутрен­них напряжений в веществе и значения универсальной гравитацион­ной постоянной G. Из-за малости величины G нужно много масс, чтобы существенно «изогнуть» пространство-время. Поэтому 1/G подчас рассматривают как меру жесткости пространства-време­ни. С точки зрения нашего повседневного опыта пространство-время очень жесткое. Вся масса Земли создает кривизну, составляющую по­рядка одной миллиардной кривизны своей поверхности. Чтобы пред­ставить кривизну пространства-времени вблизи Земли, подбросим мяч в воздух. Если он будет находиться в полете 2 с и опишет дугу в 5 м, то свет за эти 2 с пройдет расстояние 600 000 км. Если предста­вить дугу высотой 5 м, вытянутую по горизонтали до 600 000 км, то ее кривизна и будет соответствовать кривизне пространства-времени. В отличие от теории гравитации Ньютона, теория Эйнштейна пре­тендует на теорию пространства-времени, т. е. на теорию Вселенной в целом.

Многих интересовал вопрос, почему мы способны воспринять только пространство трех измерений. П. Эренфест в 1917 г. исследо­вал этот вопрос специально и указал, что «закон обратных квадра­тов», по которому действуют друг на друга точечные гравитацион­ные массы или электрические заряды, обусловлен трехмерностью пространства. В пространстве п измерений точечные частицы взаимо­действовали бы по закону обратной степени (n -1). Поэтому для n = 3 справедлив закон обратных квадратов, т. к. 3-1=2. Он показал, что при n = 4, что соответствует закону обратных кубов, планеты двига­лись бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах при числе измерений, большем трех, также не существовало бы устойчи­вых орбит, т. е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трехмерности пространства с законом тяготения указывал еще и Кант.

Кроме того, можно показать, что распространение волн «в чис­том виде» невозможно в пространстве с четным числом измерений. Появляются искажения, нарушающие переносимую волной структу­ру (информацию). Пример тому – распространение волны по рези­новому покрытию (по поверхности размерности 2). В 1955 г. матема­тик Г. Дж. Уитроу заключил, что поскольку живым организмам не­обходимы передача и обработка информации, то высшие формы жизни не могут существовать в пространствах четной размерности. Этот вывод относится к известным нам формам жизни и законам природы и не исключает существования иных миров, иной приро­ды. Давид Дойч считает, что простой эксперимент из физики интерференции дискретных фотонов доказывает существование параллельных миров. Дело в том, что при прохождении через пространство фотон оказывается в непредсказуемом месте, как будто он сталкивается с другими фотонами, невидимыми для нас. В своей книге «Ткань реальности» он утверждает, что идея о множественности миров не ставит новые проблемы, а решает их[21].