Учебник для 10 класса

Естествознание

§ 59. Движение, пространство, время, материя

Так он постиг, что тяготенье тел
Есть внутренняя кривизна пространства,
И разум, исследивший все пути,
Наткнулся сам на собственные грани.
М Волошин

Какой опыт выявил противоречия с классическими представлениями? Какая теория изменила наши взгляды на пространство, время и материю? Что означает взаимосвязь пространства и времени и как она проявляется на опыте? Что означает влияние материальных тел на пространство и время и в каких опытах это проявляется?

Урок-лекция

КЛАССИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА, ВРЕМЕНИ И МАТЕРИИ. Вспомним основные свойства пространства и времени:

Мы живем в трехмерном пространстве. Это означает, что положение любой точки в некоторой выбранной системе отсчета можно задать тремя числами — координатами. Координаты точки зависят от выбора системы отсчета, но расстояния между двумя любыми точками одинаковы во всех системах отсчета.
Пространство и время не связаны между собой. Это означает, что измерение времени не зависит от движения часов в пространстве, а измерение расстояния не зависит от того, в какой интервал времени оно выполняется.
Измерение расстояния и времени не зависит от свойств тел, находящихся в области пространства, где производится измерение. Пространство и время не зависят от материи.

Точность научных опытов, подтверждающих эти свойства, была очень высока, поэтому до XX в. эти опытные факты, казавшиеся очевидными, не подвергались сомнению. В начале XX в. появилась теория, разработанная Альбертом Эйнштейном, в которой эти фундаментальные понятия оказались взаимосвязанными. Новая теория оказалась столь необычной, что с ней связывают революцию в естествознании, которая произошла на рубеже XIX—XX вв. Прочитав этот параграф, вы, конечно же, не сможете понять теорию относительности, однако понять, как она изменила взгляды ученых на пространство, время и материю, вполне возможно.

В КАКОЙ СИСТЕМЕ ОТСЧЕТА ИЗМЕРЯТЬ СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН? Зависит ли скорость волны от выбора системы отсчета? Опыт, касающийся различных волн, давал утвердительный ответ. Так, например, скорость звука, равная 330 м/с, относительно неподвижного воздуха изменялась в соответствии с законом сложения скоростей при движении приемника звука относительно воздуха.

В результате развития теории электромагнетизма английским ученым Максвеллом было предсказано существование электромагнитных волн и вычислена скорость их распространения. Эта скорость (около 300 000 км/с) оказалась близка к скорости света, из чего был сделан вывод о том, что свет является электромагнитной волной. До некоторого времени оставался открытым вопрос, относительно чего теория предсказывает данную скорость электромагнитных волн. Дело в том, что все доступные для человека системы отсчета движутся со скоростями, много меньшими скорости света. Поэтому изменение скорости света при переходе из одной системы отсчета в другую ожидалось настолько малым, что экспериментальной точности не хватало для того, чтобы обнаружить это изменение. Даже Земля движется вокруг Солнца со скоростью, равной 1/10 000 от скорости света.

По аналогии со звуком, который распространяется со скоростью 330 м/с относительно воздуха, было сделано предположение о том, что свет распространяется со скоростью 300 000 км/с относительно некоторой субстанции, которую назвали эфиром. Мы и сейчас пользуемся этим словом, когда говорим, например, «в прямом эфире», «в эфире радиостанция...».

Гипотеза эфира, как и любая естественно-научная гипотеза, нуждалась в проверке опытом. При помощи очень сложной установки, основанной на свойствах интерференции света, ученые Майкельсон и Морли пытались обнаружить движение Земли сквозь эфир по изменению скорости света относительно Земли. Однако эксперимент дал ошеломляющий отрицательный результат: несмотря на достаточную точность приборов, движение Земли относительно эфира не было зафиксировано, поскольку скорость света относительно Земли в любое время суток и года оказывалось равной постоянной величине. Этот факт полностью противоречил классическим взглядам на свойства пространства и времени. Именно постоянство скорости света в любой системе отсчета было взято Эйнштейном за основу его теории.

Опыт свидетельствует, что скорость света постоянна во всех системах отсчета, что противоречит классическим представлениям о пространстве и времени.

НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ. В созданной Эйнштейном теории относительности пространство и время оказываются взаимосвязанными. Эта связь проявляется в том, что измерения промежутков времени и расстояний в пространстве оказываются зависящими от того, в какой системе отсчета производят измерения. При переходе из одной системы отсчета в другую временные (время между двумя событиями) и пространственные интервалы изменяются. Причем, если, например, временной интервал между событиями удлиняется, то пространственный — сокращается. Образно говоря, время и пространство могут переходить друг в друга. В связи с этим вводится представление о четырехмерном пространстве-времени.

Удлинение временных интервалов и сокращение расстояний оказываются пропорциональны коэффициенту

где v — скорость системы отсчета, а с — скорость света. В любых доступных человеку системах отсчета этот коэффициент оказывается очень близким к единице. Именно поэтому опыт, накопленный в период развития физики до XX в. (в том числе и ваш опыт), не позволял выявить данные свойства пространства и времени.

Новые представления о пространстве и времени, возникшие в результате создания теории относительности, связывают пространство и время. Следствием такой связи оказывается зависимость расстояний и времени от выбора системы отсчета, в которой производятся измерения,

Естественно, такие необычные свойства пространства и времени требовали опытного подтверждения. В настоящее время существует огромное число опытов по проверке теории относительности и не существует опытов, противоречащих ей.

МАТЕРИЯ ФОРМИРУЕТ ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ. В наше время бурного развития космонавтики вряд ли кто-нибудь не слышал о состоянии невесомости, испытываемом космонавтами, и о перегрузках при старте ракеты. Состояние невесомости эквивалентно отсутствию силы тяжести, как будто бы все тяготеющие массы (Земля, Солнце) находятся очень далеко. Однако космические корабли движутся близко от Земли, и сила тяжести в космическом корабле примерно такая же, как и на поверхности Земли. Перегрузки эквивалентны таким перегрузкам, которые испытывал бы человек, находясь на планете с огромным тяготением, чего в действительности нет.

Проанализировав подобные факты (во времена Эйнштейна космонавтов еще не было), Эйнштейн взял за основу постулат, что никакими опытами, проведенными внутри некоторой системы отсчета, нельзя определить, чем вызвана сила тяжести (отсутствие силы тяжести) — гравитацией или движением системы отсчета с ускорением. Этот постулат был назван принципом эквивалентности и лег в основу так называемой общей теории относительности.

Следствием этой теории являлось утверждение о том, что материальные тела влияют на пространство, в котором они расположены, и на время в области пространства, где они расположены. Пространство искривляется вблизи материальных тел, а время замедляет свой ход. Эти следствия также были проверены опытом.

В частности, искривление пространства обусловливает искривление лучей света, проходящих вблизи тяготеющего тела (рис. 69).

Рис. 69. Искривление луча света вблизи тяготеющего тела

Подобное искривление траектории было обнаружено при астрономических наблюдениях прохождения луча света от звезды вблизи Солнца во время затмения Солнца в 1919 г.

Материя, пространство и время взаимосвязаны. Материальные объекты искривляют пространство, в котором они находятся, и замедляют ход времени вблизи них.

Противоречит ли теория относительности научным положениям, развитым до появления этой новой теории?
В чем проявляется взаимосвязь пространства, времени и материи?