Пространство и время: Определение и факты

Альтернативные названия: четырехмерное пространство, пространственно-временной континуум

Пространство и время в физической науке, представляет собой единую концепцию, которая признает союз пространства и времени, впервые предложенный математиком Германом Минковским в 1908 году как способ переформулировать теорию относительности Альберта Эйнштейна(1905).

Общая интуиция ранее предполагала отсутствие связи между пространством и временем.

Определение

Физическое пространство считалось плоским трехмерным континуумом, т. е. расположением всех возможных точечных положений, к которым применимы евклидовы постулаты. Для такого пространственного многообразия декартовы координаты казались наиболее естественно адаптированными, и прямые линии могли быть удобно приспособлены.

Время рассматривалось независимо от пространства — как отдельный одномерный континуум, полностью однородный по своей бесконечной протяженности. Любое «сейчас» во времени может рассматриваться как источник, из которого можно взять продолжительность прошлого или будущего в любой другой момент времени.

Равномерно движущиеся пространственные системы координат, связанные с однородными континуумами времени, представляли собой все ускоренные движения, особый класс так называемых инерциальных систем отсчета. Вселенная в соответствии с этим соглашением называлась ньютоновской. В ньютоновской вселенной законы физики были бы одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета, так что нельзя было бы выделить один из них, представляющий абсолютное состояние покоя.

Вселенная Минковского

Во вселенной Минковского временная координата одной системы координат зависит как от времени, так и от пространственных координат другой относительно движущейся системы в соответствии с правилом, которое формирует существенное изменение, требуемое для специальной теории относительности Эйнштейна. Согласно теории Эйнштейна, не существует такой вещи, как «одновременность» в двух разных точках пространства, следовательно, нет абсолютного времени, как в ньютоновской вселенной.

Вселенная Минковского содержит особый класс инерциальных систем отсчета, но теперь пространственные измерения, масса и скорости связаны с инерциальной системой отсчета наблюдателя, следуя определенным законам, впервые сформулированными Н.А. Лоренц, а затем формирует центральные правила теории Эйнштейна и его интерпретации Минковского. Только скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Каждый набор координат или конкретное пространственно-временное событие в такой вселенной описывается как «здесь-сейчас» или точка мира. В каждой инерциальной системе отсчета все физические законы остаются неизменными.

Общая теория относительности

Общая теория относительности (1916) снова использует четырехмерное пространство-время, но включает в себя гравитационные эффекты. Гравитация больше не рассматривается как сила, как в ньютоновской системе, а как причина «искривления» пространства-времени, эффект, явно описываемый системой уравнений, сформулированной Эйнштейном.

Результатом является «искривленное» пространство-время, в отличие от «плоского» пространства-времени Минковского, где траектории частиц представляют собой прямые линии в инерциальной системе координат. В искривленном пространстве-времени Эйнштейна, частица следует по мировой линии, или геодезически, несколько аналогично тому, как бильярдный шар на искривленной поверхности будет следовать по пути, определяемому деформацией или искривление поверхности.

Изображение Пространства и времениОдин из основных принципов общей теории относительности заключается в том, что внутри контейнера, следующего за геодезической пространства-времени, такой как лифт в свободном падении или спутник, вращающийся вокруг Земли, эффект будет таким же, как полное отсутствие гравитации.

Траектории световых лучей также являются геодезическими пространства-времени особого рода, называемыми «нулевыми». Скорость света снова имеет ту же постоянную скорость.

Как в теориях Ньютона, так и в теории Эйнштейна, путь от гравитационных масс к путям частиц является довольно окольным. В ньютоновской формулировке массы определяют полную гравитационную силу в любой точке, которая по третьему закону Ньютона определяет ускорение частицы.

Решение

В общей теории относительности необходимо решить уравнения Эйнштейна для данной ситуации, чтобы определить соответствующую структуру пространства-времени, а затем решить второй набор уравнений, чтобы найти путь частицы. Однако, применив общий принцип эквивалентности между эффектами гравитации и равномерного ускорения, Эйнштейн смог вывести определенные эффекты, такие как отклонение света при прохождении массивного объекта, например звезды.

Первое точное решение уравнений Эйнштейна для одной сферической массы было выполнено немецким астрономом Карлом Шварцшильдом (1916). Для так называемых малых масс решение не слишком сильно отличается от того, которое дает закон тяготения Ньютона, но достаточно для учета ранее необъяснимого размера продвижения перигелия Меркурия.

Для «больших» масс решение Шварцшильда предсказывает необычные свойства. Астрономические наблюдения за карликовыми звездами в конечном итоге привели к тому, что американские физики Дж. Роберт Оппенгеймер и Х. Снайдер (1939) постулировали сверхплотные состояния вещества. Эти и другие гипотетические условия гравитационного коллапса были подтверждены в более поздних открытиях пульсаров, нейтронных звезд и черных дыр.

Следующая статья Эйнштейна (1917) применяет теорию общей теории относительности к космологии и фактически представляет рождение современной космологии. В ней Эйнштейн ищет модели всей вселенной, которые удовлетворяют его уравнениям при подходящих предположениях о крупномасштабной структуре вселенной, такой как ее «однородность», означая, что пространство-время выглядит одинаково в любой части.

Читайте также:

Жмите кнопку «Поделиться» в соцсетях, чтобы не потерять информацию

Комментарии
Загрузка...

Здравствуйте! Мы используем куки для наилучшего представления нашего сайта. Вы видите это сообщение во исполнение нами Федерального закона от 27.07.2006 N 152-ФЗ "О персональных данных". Закрыть Читать далее