Четырехмерное пространство-время
В общей теории относительности
В настоящее время общепринятым является представление о скорости света в вакууме как о максимальной скорости движения материальных объектов и распространения взаимодействий в Природе. Этому представлению не соответствует закон всемирного тяготения Ньютона, который предполагает мгновенное распространение гравитационного возмущения в пространстве. Пытаясь обобщить этот закон с учетом постулатов СТО, А.Эйнштейн в 1915 – 1916 гг. разработал релятивистскую теорию тяготения, которую назвал общей теорией относительности (ОТО).
В построении ОТО Эйнштейн исходил из известного факта эквивалентности инертной и гравитационной масс. Равенство инертной и гравитационной масс было обобщено Эйнштейном в принципе эквивалентности: физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и «поля», порожденного равноускоренным движением.
Эйнштейн в общей теории относительности отказался от плоского псевдоевклидова пространства и перешел к более общей концепции – искривленному четырехмерному пространству Римана. При этом он фактически свел гравитацию к геометрии пространства. В соответствии с таким подходом пустое пространство, т.е. пространство, в котором отсутствует гравитационное поле, просто не существует. Пространство-время проявляется лишь как структурное свойство гравитационного поля; последнее равносильно искривлению пространства-времени. В свою очередь это искривление определяет законы движения материи. Таким образом, согласно ОТО, гравитация – это искривление пространства-времени. Уравнения гравитационного поля Эйнштейна связывают характеристики пространства-времени с распределением и движением материи. (Отметим, что в соответствии с принципом Маха все законы физики определяются распределением материи во Вселенной).
|
|
|
По форме уравнения ОТО не похожи на уравнения динамики Ньютона. В частности, эйнштейновский закон гравитации фактически сводится к математическому описанию движения свободного тела в искривленном четырехмерном пространстве-времени, заданном с помощью криволинейной системы координат. Параметры, характеризующие кривизну такого пространства, определяются гравитационным полем, а траекторией движения свободного тела (в том числе и светового луча) является не евклидова прямая, а искривленная линия (геодезическая). В то же время уравнения ОТО переходят в уравнения Ньютона в предельном случае малых скоростей и слабых квазистатических гравитационных полей. В этом случае четырехмерное пространство-время становится квазиплоским.
|
|
|
В рамках ОТО были предсказаны три эффекта: отклонение светового луча в поле солнечного тяготения, гравитационное красное смещение спектральных линий, медленное аномальное движение перигелия Меркурия. Эти эффекты были подтверждены экспериментально. В настоящее время после открытия квазаров, пульсаров, реликтового излучения, рентгеновских звезд и др. общая теория относительности необходима для изучения и понимания фундаментальных свойств Вселенной.
Тесное переплетение свойств пространства и времени со свойствами гравитации в ОТО привело Эйнштейна к идее, что на более глубоком уровне существует связь пространства-времени и с другими фундаментальными физическими полями, т.е. к программе геометризации физики, которой он посвятил последние 30 лет своей жизни. Однако его попытки создать единую теорию поля не были успешными.
Статистические закономерности в приРОДЕ
Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе.
Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от «прошлого» к «будущему». Это свойство времени английский физик и астроном А. Эддингтон образно назвал «стрелой времени».
|
|
|
Почему же несмотря на обратимость поведения одной молекулы, ансамбль из большого числа таких молекул ведет себя существенно необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых великих ученых XVIII - XIX веков.
Первоначально с проблемой необратимости столкнулись в области термодинамики, которая занимается тепловыми явлениями в природе. Следует отметить, что вплоть до начала XVIII века считалось, что эти явления обусловлены наличием в телах определенной «жидкости» теплорода. Этой концепции придерживались многие выдающиеся ученые. Гипотеза теплорода, хорошо объясняла процессы нагревания тел, их теплового расширения, теплообмен, и многие другие явления, она «не помешала» великому С. Карно заложить основы термодинамики и создать теорию тепловых машин. Именно Карно первым обратил внимание на необратимость тепловых процессов, которая, в частности, проявляется в том, что тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему.
|
|
|
После отказа от гипотезы теплорода и перехода к молекулярно-кинетической модели тепловых явлений возникла надежда свести теплоту к механике, что на заре классического естествознания являлось «конечной целью» любой теории. Формально для этого надо было записать уравнения движения (m a = F) и задать начальные состояния каждой молекулы нагретого тела (например, газа). Однако ни решить такую «чудовищно» большую систему уравнений, ни, самое главное, проанализировать полученное решение, если бы даже его и удалось получить, оказалось невозможным. А значит, и природа необратимого поведения при механическом подходе к этой проблеме не раскрывается.
состоящих из очень большого числа частиц, нужно решать по-другому, был Дж. Максвелл. Именно он в 1859 г. ввел в физику понятие вероятности, используемое математиками при анализе случайных явлений. Максвелл исходил из того, что в принципе невозможно не только проследить за изменениями положений и импульсов каждой частицы на протяжении большого интервала времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа или любого другого макроскопического тела в заданный момент времени. Их следует рассматривать как случайные величины, которые могут принимать различные значения, подобно тому как при бросании игральной кости может выпасть любое число очков от 1 до 6. Поэтому нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а попытаться найти вероятность того, что этот импульс имеет то или иное значение.
Максвелл ясно осознавал, что случайное поведение молекул подчиняется не детерминированным законам классической механики, а вероятностным (или статистическим) законам. В дальнейшем Л. Больцман разработал кинетическую теорию газов, в которой законы термодинамики предстали перед учеными как следствие более глубоких статистических законов поведения ансамблей, состоящих из большого числа частиц. Классическая статистическая механика получила завершение в работах Дж. Гиббса, создавшего общий метод расчета термодинамических функций любых систем (а не только газов), находящихся в состоянии равновесия.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 558; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!