Мамандығы бойынша «Жоба 1» пәні бойынша Тақырыбы
Кеңістік пен уақыт туралы теориялар
жүктеу/скачать 198,87 Kb.
|
жоба А. Султан 18
| 2 Кеңістік пен уақыт туралы теориялар
2.1 Арнайы салыстырмалық теориясы 1905 жылы А. Эйнштейн жасаған арнайы салыстырмалылық Галель - Ньютонның классикалық механикасы мен Максвелл - Лоренцтің электродинамикасын жалпылау мен синтездеудің нәтижесі болды. "Ол жарық жылдамдығына жақын қозғалыс жылдамдығындағы барлық физикалық процестердің заңдылықтарын сипаттайды, бірақ тартылыс өрісін ескермейді. Қозғалыс жылдамдығы төмендеген кезде ол классикалық механикаға түседі, осылайша оның ерекше жағдайы болады". Бұл теорияның бастапқы нүктесі салыстырмалылық принципі болды. Салыстырмалылықтың классикалық принципін г. Галилей тұжырымдады: "егер механика заңдары бір координаттар жүйесінде әділ болса, онда олар біріншіге қатысты түзу және біркелкі қозғалатын кез-келген басқа жүйеде де әділетті."[2] мұндай жүйелер инерциялық деп аталады, өйткені олардағы қозғалыс Инерция заңына бағынады: "кез-келген дене тыныштық күйін немесе біркелкі түзу сызықты қозғалысты сақтайды, егер оны қозғалмалы күштердің әсерінен өзгертуге мәжбүр болмаса.” Галилео бұл ережені әртүрлі көрнекі мысалдармен түсіндірді. Саяхатшыны тыныш жүзетін кеменің жабық кабинасында елестетіп көріңіз. ол қозғалыс белгілерін байқамайды. Егер кабинада шыбындар ұшса, олар артқы қабырғаға жиналмайды, бірақ бүкіл көлемде тыныш ұшады. Егер сіз допты тіке лақтырсаңыз, ол кемеден емес, тікелей төмен түседі, Жемге жақын түспейді. Салыстырмалылық принципінен тыныштық пен қозғалыс арасында біркелкі және түзу сызық бар - түбегейлі айырмашылық жоқ. Айырмашылық тек көзқараста. Мысалы, кеменің кабинасындағы саяхатшы оның үстелінде жатқан кітап демалып жатыр деп санайды. Бірақ жағалаудағы адам кеменің жүзіп бара жатқанын көреді және оның кітап кеме сияқты жылдамдықпен қозғалады деп сенуге толық негіз бар. Сонымен, кітап шынымен қозғалады ма, жоқ па? Бұл сұраққа "иә" немесе "жоқ" деп жауап беру мүмкін емес. Саяхатшы мен жағалаудағы адам арасындағы дау, егер олардың әрқайсысы тек өз көзқарасын қорғап, серіктестің көзқарасын жоққа шығарса, уақытты ысырап етер еді. Екеуі де дұрыс, және позицияларды үйлестіру үшін олар кітаптың кемеге қатысты демалып, кемемен бірге жағалауға қатысты қозғалатынын мойындауы керек. Осылайша, Галилео принципінің атауындағы "салыстырмалы" сөзі ерекше ештеңені жасырмайды. Бұл қозғалыс немесе тыныштық әрқашан бізге тірек ретінде қызмет ететін нәрсеге қатысты қозғалыс немесе тыныштық екендігі туралы қозғалысқа енгізуден басқа мағынасы жоқ. Бұл, әрине, демалу мен біркелкі қозғалыс арасында ешқандай айырмашылық жоқ дегенді білдірмейді. Бірақ тыныштық пен қозғалыс ұғымы сілтеме көрсетілген кезде ғана мағынаны алады. Егер салыстырмалылықтың классикалық принципі барлық инерциялық эталондық жүйелерде механика заңдарының өзгермейтіндігін растаса, онда арнайы салыстырмалылықта бұл принцип электродинамика заңдарына да қатысты болды, ал жалпы салыстырмалылық инерциялық және инерциялық емес кез-келген тірек жүйелеріндегі табиғат заңдарының өзгермейтіндігін растады. Инерциалды емес деп баяулау немесе үдеумен қозғалатын эталондық жүйелер деп аталады. Кеңістік пен уақытты біртұтас төрт өлшемді кеңістік-уақыт континуумына біріктіретін арнайы салыстырмалылыққа сәйкес денелердің кеңістік - уақыт қасиеттері олардың қозғалыс жылдамдығына байланысты. Кеңістіктік өлшемдер денелердің жылдамдығы вакуумдағы жарық жылдамдығына жақындаған кезде қозғалыс бағытында азаяды (300,000 км/с), жылдам қозғалатын жүйелерде уақытша процестер баяулайды, дене салмағы артады. Көмекші тірек шеңберінде, яғни өлшенген жүйеден параллель және бірдей қашықтықта қозғалғанда, релятивистік деп аталатын бұл әсерлерді байқау мүмкін емес, өйткені өлшеу кезінде қолданылатын барлық кеңістіктік масштабтар мен бөліктер дәл осылай өзгереді. Салыстырмалылық принципіне сәйкес инерциялық эталондық жүйелердегі барлық процестер бірдей жүреді. Бірақ егер жүйе инерциялық емес болса, онда релятивистік әсерлерді байқауға және өзгертуге болады. Сонымен, егер фотондық зымыран сияқты қиялдағы релятивистік кеме алыс Жұлдыздарға баратын болса, онда оны жерге қайтарғаннан кейін кеме жүйесіндегі уақыт жердегіге қарағанда едәуір аз өтеді және бұл айырмашылық соғұрлым үлкен болады. Ұшу, ал кеменің жылдамдығы жарық жылдамдығына жақын болады. Айырмашылықты жүздеген және мыңдаған жылдар бойы өлшеуге болады, нәтижесінде кеме экипажы аралық уақытты айналып өтіп, жақын немесе алыс болашаққа ауысады, өйткені зымыран экипажымен бірге жердегі даму жолынан шығып кетті. Қозғалыс жылдамдығына байланысты уақыт жылдамдығының баяулауының ұқсас процестері қазір жердегі атомдардың ядроларымен бастапқы ғарыштық сәулелену бөлшектерінің соқтығысуынан пайда болатын мезондардың жүгіріс ұзындығын өлшеу кезінде нақты жазылады. Мезондар 10-6 – 10 -15 с аралығында болады (бөлшектердің түріне байланысты) және олар пайда болғаннан кейін олар туған жерінен қысқа қашықтықта ыдырайды. Мұның бәрі өлшеу құрылғыларымен бөлшектердің ізі бойынша тіркелуі мүмкін. Бірақ егер мезон жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен қозғалса, онда ондағы уақытша процестер баяулайды, ыдырау кезеңі артады (мыңдаған және ондаған мың есе) және сәйкесінше туылғаннан бастап ыдырауға дейінгі жүгіріс ұзындығы артады. Сонымен, арнайы салыстырмалылық Галилейдің кеңейтілген салыстырмалылық принципіне негізделген. Сонымен қатар, ол тағы бір жаңа позицияны қолданады: жарықтың таралу жылдамдығы (Бос) барлық инерциялық сілтемелерде бірдей. Неліктен бұл жылдамдық соншалықты маңызды, ол туралы пайымдау салыстырмалылық принципіне тең? Мәселе мынада, біз мұнда екінші әмбебап физикалық константаға тап боламыз. Жарық жылдамдығы-табиғаттағы барлық жылдамдықтардың ішіндегі ең үлкені, физикалық өзара әрекеттесудің шекті жылдамдығы. Ұзақ уақыт бойы ол әдетте шексіз деп саналды. Ол Xvx ғасырда орнатылды, 300 000 км/с.Бұл біздің айналамыздағы әлемде жиі байқалатын жылдамдықтармен салыстырғанда үлкен жылдамдық. Экспериментті елестетіп көріңіз: үлкен спутник Жердің айналасында орбитада қозғалады және одан ғарыш айлағы сияқты Венера планетааралық станциясы ұшырылады. Ұшыру қатаң түрде орбиталық ғарыш айлағының қозғалысы бағытында жүргізіледі. Классикалық механика заңдарынан зымыран жерге қатысты екі жылдамдықтың қосындысына тең жылдамдыққа ие болады: зымыранның орбиталық ғарыш айлағына қатысты жылдамдығы және ғарыш айлағының жерге қатысты жылдамдығы. Қозғалыс жылдамдығы жоғарылайды және зымыран өте үлкен жылдамдыққа ие болады, бұл жердің тартылуын жеңуге және Венераға ұшуға мүмкіндік береді. Тағы бір эксперимент: спутниктен оның қозғалыс бағыты бойынша жарық сәулесі шығады. Спутникке қатысты, ол шығарылған жерден жарық жарық жылдамдығымен таралады. Жерге қатысты жарықтың таралу жылдамдығы қандай? Ол сол күйінде қалады. Егер жарық спутниктің қозғалысы арқылы емес, тікелей қарама-қарсы бағытта шығарылса да, содан кейін Жерге қатысты жарық жылдамдығы өзгермейді. Қозғалатын денелердегі жарық жылдамдығының өзгеруін және, тиісінше, осы денелердің қозғалысының абсолютті сипатын көрсететін экспериментті 1881 жылы Мишельсон жасаған (1852-1931). Кейіннен оның бірнеше рет қайталады. Мишельсон эксперименті қозғалатын кеменің артқы жағындағы және мұрнындағы экрандарға келетін сигналдардың жылдамдығын салыстыруға сәйкес келді, бірақ ғарыш кеңістігінде шамамен 30 км/с жылдамдықпен қозғалатын Жердің өзі кеме ретінде пайдаланылды. Әрі қарай, олар денені ұстап тұрған сәуленің жылдамдығын және денеге қарай жүретін сәулені емес, бойлық және көлденең бағытта жарықтың таралу жылдамдығын салыстырды. Интерферометр деп аталатын Мишельсон тәжірибесінде қолданылатын құралда бір сәуле интерферометрдің бойлық иығында, ал екінші сәуле көлденең иықта жердің қозғалыс бағытында жүрді. Бұл сәулелердің жылдамдығындағы айырмашылық құрылғыдағы жарық жылдамдығының Жер қозғалысына тәуелділігін көрсетуі керек еді. Бұл арнайы салыстырмалылық теориясының негізі болып табылатын ең маңызды тұжырымның иллюстрациясы. Жарықтың қозғалысы жылдамдығы жарық жылдамдығынан аз барлық басқа денелердің қозғалысынан түбегейлі ерекшеленеді. Бұл денелердің жылдамдығы әрқашан басқа жылдамдықпен қосылады. Бұл мағынада жылдамдықтар салыстырмалы: олардың мәні көзқарасқа байланысты. Жарық жылдамдығы басқа жылдамдықпен қосылмайды, ол абсолютті, әрқашан бірдей, және бұл туралы айтқанда, біз сілтеме жасаудың қажеті жоқ. Жарық жылдамдығының абсолюттігі салыстырмалылық принципіне қайшы келмейді және онымен толық үйлеседі. Бұл жылдамдықтың тұрақтылығы-табиғат заңы, сондықтан салыстырмалылық принципіне сәйкес - ол барлық инерциялық сілтемелерде жарамды. Жарық жылдамдығы-табиғаттағы кез-келген дененің қозғалу жылдамдығының, кез-келген толқындардың, кез-келген сигналдардың таралу жылдамдығының жоғарғы шегі. Бұл максималды-бұл жылдамдықтың абсолютті рекорды. "Барлық физикалық процестер үшін жарық жылдамдығы шексіз жылдамдық қасиетіне ие. Денеге жарық жылдамдығына тең жылдамдықты жеткізу үшін шексіз энергия қажет, сондықтан дененің осы жылдамдыққа жетуі физикалық мүмкін емес. Бұл нәтиже электрондардың үстінде жүргізілген өлшеулермен расталды. Нүктелік массаның кинетикалық энергиясы оның жылдамдығының квадратына қарағанда тез өседі және жарық жылдамдығына тең жылдамдық үшін шексіз болады"[4]. Сондықтан жарық жылдамдығы ақпарат берудің шекті жылдамдығы деп жиі айтылады. Кез-келген физикалық өзара әрекеттесудің және жалпы әлемдегі барлық өзара әрекеттесудің шекті жылдамдығы. Жарық жылдамдығы бір мезгілде проблеманы шешумен тығыз байланысты, ол да салыстырмалы, яғни көзқарасқа байланысты. Уақытты абсолютті деп санайтын классикалық механикада бір мезгілде абсолютті болады. Эйнштейннің салыстырмалылық теориясында эфирдің қасиеттері мен құрылымы туралы мәселе эфирдің өзі туралы сұраққа айналады. Көптеген эфирді анықтау эксперименттерінің теріс нәтижелері салыстырмалылықта табиғи түсініктеме тапты-эфир жоқ. Эфирдің барын жоққа шығару және жарық жылдамдығының тұрақтылығы мен шегі туралы постулатты қабылдау механика мен электродинамика синтезі ретінде әрекет ететін салыстырмалылық теориясының негізін қалады. Салыстырмалылық принципі және жарық жылдамдығының тұрақтылығы Эйнштейнге тыныштық денелері үшін Максвелл теориясынан қозғалатын денелердің дәйекті электродинамикасына ауысуға мүмкіндік берді.Әрі қарай Эйнштейн Ұзындықтар мен уақыт аралықтарының салыстырмалылығын қарастырады, бұл оны бір мезгілде ұғымның мағынасы жоқ деген қорытындыға әкеледі: "бір координаталық жүйеден байқау кезінде бір уақытта болатын екі оқиға бұдан былай берілген жүйеге қатысты қарастырылған кезде бір уақытта қабылданбайды". Арнайы салыстырмалылықтың алдыңғы теориялардан түбегейлі айырмашылығы-кеңістік пен уақытты материя қозғалысының ішкі элементтері ретінде тану, оның құрылымы қозғалыстың табиғатына байланысты, оның функциясы болып табылады. Эйнштейннің көзқарасы кеңістік пен уақытқа жаңа қасиеттер береді: ұзындық пен уақыттың салыстырмалылығы, кеңістік пен уақыттың теңдігі. 1907-1908 жылдары Герман Минковский (1864-1908) салыстырмалылық теориясын өте жұқа және кейінгі жалпылау үшін маңызды геометриялық пішін берді. "Салыстырмалылық принципі" (1907) мақаласында және "кеңістік пен уақыт" (1908) баяндамасында Эйнштейн теориясы төрт өлшемді Евклид геометриясының инварианттары туралы ілім ретінде тұжырымдалды. Бізде қазір инвариантқа қатаң анықтама беру және ол туралы айтылған нәрсеге жаңа нәрсе қосу мүмкіндігі де, қажеттілігі де жоқ. Көп өлшемді кеңістік ұғымы, атап айтқанда төрт өлшемді кеңістік, мұнда қатаң анықтаманы қажет етпейді; сіз өзіңізді ең қысқа түсіндірмелермен шектей аласыз. Егер сіз басқа сілтеме жүйесіне өтсеңіз, әр нүктенің координаттары өзгереді, бірақ мұндай координаталық түрлендірудегі нүктелер арасындағы қашықтық өзгермейді. Координаталық түрлендірулер кезіндегі қашықтықтың инвариантын жазықтықтағы геометрияда ғана емес, үш өлшемді геометрияда да көрсетуге болады. Геометриялық фигураның кеңістіктегі қозғалысы кезінде нүктелердің координаттары өзгеріп, олардың арасындағы қашықтық өзгеріссіз қалады. Жоғарыда айтылғандай, координаталық түрлендірулердің инварианттарының болуын тірек жүйелерінің теңдігі, нүктелердің эквиваленттілігі деп атауға болады, әрқайсысында координаталық жүйенің басталуын орналастыруға болады, ал бір жүйеден екіншісіне ауысу нүктелер арасындағы қашықтыққа әсер етпейді. Кеңістік нүктелерінің ұқсас эквиваленттілігі оның біртектілігі деп аталады. Денелер пішінін сақтау және олардың өзара әрекеттесуінің өзгермейтін заңдылықтарын сақтау кезінде кеңістіктің біртектілігі көрінеді. Алайда, жарық жылдамдығына жақын өте жоғары жылдамдықта нүктелер арасындағы қашықтықтың тірек шеңберінің қозғалысына тәуелділігі өте маңызды болады. Егер бір тірек басқа жүйеге қатысты қозғалса, онда бір жүйеде орналасқан өзектің ұзындығы оны басқа жүйеде өлшеген кезде азаяды. Эйнштейн теориясында кеңістіктік қашықтықтар (уақыт аралықтары сияқты) біріншіге қатысты қозғалатын бір тірек шеңберінен екіншісіне ауысу кезінде өзгереді. Мұндай ауысу кезінде біз ауысатын басқа мән өзгеріссіз қалады. Минковский жарық жылдамдығының тұрақтылығын келесідей тұжырымдады. Координаталық түрлендіру кезінде екі нүкте арасындағы қашықтық өзгеріссіз қалады, мысалы, қозғалатын бөлшек арқылы өтетін жол. Бұл қашықтықты есептеу үшін - бөлшекпен өтетін жол - үш координатаның өсу квадраттарын, яғни жаңа және ескі координаталар арасындағы айырмашылықтардың квадраттарын алу керек. Евклид геометриясының арақатынасына сәйкес, осы үш квадраттың қосындысы нүктелер арасындағы қашықтықтың квадратына тең болады. Енді біз кеңістіктік координаттардың үш өсуіне уақыттың өсуін қосамыз-бөлшек бірінші нүктеде болған сәттен бастап екінші нүктеде болған сәтке дейінгі уақыт. Бұл төртінші мәнді біз де шаршыға аламыз. Бізге төрт квадраттың қосындысын "қашықтық" квадраты деп атауға ештеңе кедергі болмайды, бірақ енді үш өлшемді емес, төрт өлшемді. Бұл Кеңістіктік нүктелер арасындағы қашықтық туралы емес, бөлшектің белгілі бір уақытта бір нүктеде болуы және бөлшектің басқа сәтте басқа нүктеде болуы арасындағы интервал туралы. Нүкте кеңістікте де, уақытта да өзгереді. Минковский көрсеткендей, жарық жылдамдығының тұрақтылығынан белгілі бір жағдайларда (уақытты арнайы бірліктермен өлшеу керек), төрт өлшемді кеңістік-уақыт аралығы, біз нүктелердің позициясы мен сол нүктелердегі бөлшектердің болу уақытын өлшегенімізге қарамастан өзгермейді. Бөлшектердің қозғалысының төрт өлшемді көрінісін оңай игеруге болады, ол айқын және іс жүзінде таныс болып көрінеді. Нақты оқиғалар төрт санмен анықталатынын бәрі біледі: үш кеңістіктік координат және хронологияның басынан бастап немесе жылдың басынан бастап немесе күннің басынан бастап оқиғаға дейінгі уақыт. Біз кез-келген оқиғаның орнын қағаз бетіне көлденең түзу сызықта орналастырамыз - бұл жердің бастапқы нүктеден қашықтығы, мысалы, пойыздың жөнелту станциясынан жеткен нүктесіне дейінгі қашықтық. Тік ось бойынша поезд осы нүктеге жеткен, оны тәуліктің басынан бастап немесе поездың жөнелту станциясынан шыққан сәтінен бастап өлшейтін уақытты кейінге қалдырамыз. Содан кейін біз пойыздың қозғалыс кестесін екі өлшемді кеңістікте, үстелде орналасқан географиялық картада аламыз, ал уақытты картаның үстіне тік етіп көрсетеміз. Содан кейін біз сызбамен айналыспаймыз, сізге үш өлшемді модель қажет болады, мысалы, картаның үстіне бекітілген сым. Бұл үш өлшемді қозғалыс графигі болады: орналасқан картаның үстіндегі әр нүктедегі сымның биіктігі уақытты бейнелейді, ал картаның өзінде сымның проекциясы пойыздың жердегі қозғалысын бейнелейді. Енді пойыздың жазықтықта қозғалуын ғана емес, сонымен қатар оның көтерілуі мен түсулерін, яғни оның үш өлшемді кеңістіктегі қозғалысын бейнелейміз. Содан кейін вертикальдар енді уақытты бейнелей алмайды, олар пойыздың теңіз деңгейінен биіктігін білдіреді. Уақытты қайда кейінге қалдыру керек-төртінші өлшем? Төрт өлшемді графикті құру мүмкін емес, тіпті елестету мүмкін емес. Бірақ математика ұзақ уақыт бойы аналитикалық әдісті қолдана отырып, есептеулер жүргізе отырып, осындай геометриялық шамаларды таба білді. Формулалар мен есептеулерге үш кеңістіктік өлшеммен қатар төртіншісін енгізуге болады - уақыт және көрінуден бас тартып, осылайша төрт өлшемді геометрияны құруға болады. Егер импульстар мен жалпы сигналдардың лезде берілуі болса, онда біз бір уақытта болған екі оқиға туралы айтуға болады. Яғни тек кеңістіктік координаттарда ғана ерекшеленеді. Оқиғалар арасындағы байланыс таза кеңістіктік үш өлшемді геометриялық қатынастардың физикалық прототипі болар еді. Бірақ Эйнштейн 1905 жылы абсолютті бір мезгілде және абсолютті, уақыт ағымына тәуелсіз ұғымдардан бас тартты. Эйнштейн теориясы әлем туралы үш өлшемді, таза кеңістіктік көзқарастың шектеулігі мен салыстырмалылығынан туындайды және дәлірек кеңістіктік-уақыттық өкілдікті енгізеді. Салыстырмалылық тұрғысынан әлемнің суретте төрт координат пайда болуы керек және оған төрт өлшемді геометрия сәйкес келуі керек. 1908 жылы Минковский салыстырмалылық теориясын төрт өлшемді геометрия түрінде ұсынды. Ол бөлшектің төрт координатамен анықталған нүктеде болуын "оқиға" деп атады, өйткені механикадағы оқиға деп кеңістікте және уақыт бойынша белгілі бір нәрсені түсіну керек - бөлшектің белгілі бір кеңістіктік нүктеде белгілі бір уақытта болуы. Әрі қарай ол оқиғалардың жиынтығын - ғарыштық-уақыттық әртүрлілікті -"әлем" деп атады, өйткені нақты әлем кеңістікте және уақытта дамиды. Бөлшектің қозғалысын бейнелейтін сызық, яғни. төрт өлшемді сызық, оның әр нүктесі төрт координатамен анықталады, Минковский "әлемдік сызық"деп атады. "Әлемдік сызық" сегментінің ұзындығы бір тірек шеңберінен екіншісіне ауысқан кезде инвариантты, біріншісіне қатысты түзу және біркелкі қозғалады. Бұл салыстырмалылықтың бастапқы тұжырымы, оның барлық қатынастарын одан алуға болады. Айта геометриялық арақатынасын, олардың көмегімен Миньковский баяндады салыстырмалық теорияны бағынады Евклидовой геометрия. Салыстырмалылықтың арақатынасын төрт өлшемді "қашықтық" төрт айырмашылық арқылы бірдей өрнектеледі - үш кеңістіктік координаталық айырмашылық және оқиғалар арасындағы уақыт - үш өлшемді қашықтық Евклид геометриясында кеңістіктік координаттар айырмасы арқылы өрнектеледі деп болжай аламыз. Ол үшін, жоғарыда айтылғандай, уақытты арнайы бірліктерде білдіру керек. Әлемдік сызық сегментінің ұзындығы үш өлшемді емес, төрт өлшемді Евклид геометриясының ережелерімен анықталады. Оның квадраты кеңістіктік координаттар мен уақыттың өсуінің төрт квадратының қосындысына тең. Басқаша айтқанда, бұл төрт координатаның өсуінің геометриялық қосындысы, олардың үшеуі кеңістіктік, ал төртіншісі - арнайы бірліктермен өлшенген уақыт. Біз деп айта аламыз салыстырмалық теорияны оқу-жаттығу туралы инвариантах четырехмерной евклидовой геометрия. Уақыт арнайы бірліктермен өлшенетіндіктен, олар псевдоевклидтің төрт өлшемді геометриясы туралы айтады. Кеңістіктің біртектілігі импульсті сақтауда, ал уақыттың біртектілігі энергияны сақтауда көрінеді. Төрт өлшемді тұжырымдамада Импульстің сақталу заңы мен энергияның сақталу заңы бір энергия мен Импульстің сақталу заңына біріктіріледі деп күтуге болады. Шынында да, салыстырмалылық теориясында мұндай біріктірілген импульс заңы пайда болады. Ғарыштық уақыттың біртектілігі табиғатта кеңістіктік-уақыттық әлемдік нүктелер жоқ екенін білдіреді. Төрт өлшемді, кеңістіктік-уақыттық эталондық жүйенің абсолютті бастауы болатын оқиға жоқ. 1905 жылы Эйнштейн ұсынған идеялар аясында әлемдік нүктелер арасындағы төрт өлшемді қашықтық, яғни кеңістік-уақыт аралығы осы нүктелерді әлемдік сызық бойымен бірге өткізген кезде өзгермейді. Бұл екі оқиғаның кеңістіктік-уақыттық байланысы қай әлемдік нүкте тірек ретінде таңдалғанына және кез-келген әлемдік нүкте осындай бастама рөлін атқара алатындығына байланысты емес дегенді білдіреді. Галилео мен Декарт Инерция принципін және импульсті сақтау принципін тұжырымдағаннан кейін ғарыштың біртектілігі ғылымның бастапқы идеясына айналды, бұл әлемдік кеңістікте ерекше нүкте жоқ екенін көрсетті - денелер мен олардың өзара әрекеттесуі арасындағы қашықтық осы денелерден тұратын материалдық жүйенің қозғалысына тәуелді емес. Уақыттың біртектілігі XIX ғасырдың физикасы энергияны сақтау принципін тұжырымдап, табиғат процестерінің уақыт бойынша ығысуынан тәуелсіздігін және уақытты есептеудің абсолютті басталуының болмауын көрсеткеннен кейін ғылымның бастапқы идеясына айналды. Енді ғылымның бастапқы идеясы ғарыштық уақыттың біртектілігі болып табылады. Кеңістік пен уақытқа бөлудің мағынасы жоқ. Арнайы салыстырмалылық теориясындағы кеңістік пен уақыт реляциялық тұжырымдама тұрғысынан түсіндіріледі. Алайда, Эйнштейн салыстырмалылық ұғымын инерциялық емес тірек шеңберлерінде пайда болатын құбылыстар класына кеңейтуге тырысқанда, бұл гравитацияның жаңа теориясының пайда болуына, релятивистік космологияның дамуына және т.б. ол теориялық аспект ретінде әрекет ететін физикалық теорияларды құрудың басқа әдісіне жүгінуге мәжбүр болды. Жаңа теория – жалпы салыстырмалылық теориясы - жалпыланған кеңістік - уақытты құру және бастапқы теорияның теориялық құрылымынан - арнайы Салыстырмалылық теориясынан жаңа, жалпыланған теорияның теориялық құрылымына көшу, содан кейін оны эмпирикалық түсіндіру арқылы құрылды. Әрі қарай, біз жалпы салыстырмалылық тұрғысынан кеңістік пен уақыт идеясын қарастырамыз. Жалпы салыстырмалылық пен релятивистік космологиядағы кеңістік пен уақыт. Жалпы салыстырмалылық теориясында кеңістік-уақыт қатынастарының материалдық процестерге тәуелділігінің жаңа жақтары ашылды. Бұл теория физикалық негіздерді Евклид емес геометриялардың астына түсіріп, кеңістіктің қисықтығын және оның метрикасының Евклидтен денелердің массалары құрған гравитациялық өрістердің әсерімен ауытқуын тудырды. Жалпы салыстырмалылық инерция мен гравитациялық массалардың эквиваленттілік принципінен туындайды, олардың сандық теңдігі классикалық физикада бұрыннан қалыптасқан. Гравитациялық күштердің әсерінен пайда болатын кинематикалық әсерлер үдеудің әсерінен пайда болатын әсерлерге тең. Сонымен, егер зымыран 2G үдеуімен ұшса, онда зымыран экипажы Жердің ауырлық күшінің екі еселенген өрісінде тұрғандай сезінеді. Эйнштейн ауырлық жұмбағын түсіндіруге болатын бастапқы нүктені осы теңдікте қарастырды. Эйнштейн эквиваленттілік принципін тұжырымдады:"біртекті гравитациялық өріс пен біркелкі жеделдетілген қозғалыс нәтижесінде пайда болған өрістің әрекетін ажырату физикалық мүмкін емес". Эквиваленттілік принципі жаңа теория негізделетін негізгі принциптерді тұжырымдауға көмектесті: ауырлық күшінің геометриялық табиғаты туралы гипотезалар, кеңістік-уақыт пен материяның геометриясының байланысы. Жалпы салыстырмалылық теориясында инерциялық және инерциялық емес кез-келген тірек жүйелеріндегі табиғат заңдарының өзгермейтіндігін растайтын салыстырмалылық принципі массалардың эквиваленттілігі принципіне негізделген. Жалпы салыстырмалылық туралы айтатын кеңістіктің қисықтығын қалай елестетуге болады? Біз өте жұқа резеңке парақты елестетіп, оны ғарыш моделі деп санаймыз. Біз осы параққа үлкен және кішкентай шарларды орналастырамыз - жұлдыздардың модельдері. Бұл шарлар резеңке парақты соғұрлым көп майыстырады, доп массасы соғұрлым көп болады. Бұл кеңістіктің қисықтығының дене салмағына тәуелділігін айқын көрсетеді және бұл жағдайда бізге таныс Евклид геометриясы жұмыс істемейтінін көрсетеді (Лобачевский мен Риман геометриялары жұмыс істейді). Салыстырмалылық тек гравитациялық өрістердің әсерінен кеңістіктің қисықтығын ғана емес, сонымен қатар күшті гравитациялық өрістерде уақыттың баяулауын да анықтады. Тіпті күннің ауырлық күші - ғарыштық өлшем бойынша кішкентай жұлдыз-уақыт ағымына әсер етеді, оны өзіне жақын баяулатады. Сондықтан, егер біз радиосигналды күннің жанында өтетін нүктеге жіберетін болсақ, онда радиосигналдың саяхаты бұл сигналдың жолында болғанға қарағанда көп уақытты алады - күннің жанында шамамен 0,0002 с құрайды. Жалпы салыстырмалылықтың пайда болу себептерінің бірі Эйнштейннің физиканы инерциялық эталондық жүйені енгізу қажеттілігінен арылуға деген ұмтылысы болды. Жаңа теорияның құрылуы Фарадей - Максвеллдің далалық Доктринасындағы кеңістік пен уақыт тұжырымдамасын және арнайы салыстырмалылықты қайта қарастырудан басталды. Эйнштейн бір маңызды мәселеге назар аударды, ол өзгеріссіз қалды. Бұл арнайы салыстырмалылықтың келесі жағдайы туралы:"...демалу денесінің таңдалған екі материалдық нүктесі әрқашан дененің орналасуы мен бағытына да, уақытына да қарамастан белгілі бір ұзындықтың белгілі бір сегментіне сәйкес келеді. Белгілі бір координаттар жүйесіне қатысты сағат қолының белгіленген екі көрсеткіші әрқашан орын мен уақытқа қарамастан белгілі бір шаманың уақыт аралығына сәйкес келеді". Арнайы салыстырмалылық материяның ғарыштық уақыт құрылымына әсер ету мәселесіне әсер етпеді, ал жалпы теорияда Эйнштейн материяның, қозғалыстың, кеңістіктің және уақыттың органикалық байланысына тікелей бет бұрды. "Салыстырмалылық және кеңістік мәселесі" еңбегінде Эйнштейн жалпы салыстырмалылық теориясындағы кеңістік ұғымының ерекшеліктерін нақты қарастырады. Бұл теорияға сәйкес кеңістік "кеңістікті толтыратын" және координаттарға байланысты қарама-қарсы нәрсе ретінде бөлек болмайды. "Бос орын, яғни өріссіз кеңістік жоқ. Ғарыштық уақыт өздігінен емес, тек өрістің құрылымдық қасиеті ретінде". Салыстырмалылық теориясы масса концентрациясы мен қозғалысына байланысты олардың сипаттамаларының бірлескен өзгеруінде көрінетін кеңістік пен уақыттың бірлігін көрсетті. Уақыт пен кеңістік бір-біріне тәуелсіз қарастыруды тоқтатты және төрт өлшемді континуумның кеңістік-уақыт идеясы пайда болды. Жалпы салыстырмалылық үшін теориялық тұрғыдан физикалық бақыланатын шамаларға көшу мәселесі әлі де өзекті болып табылады. Теория үш жалпы релятивистік әсерді болжады және түсіндірді: Меркурийдің шамадан тыс жылжуының нақты мәндері болжанып, есептелді, жұлдыздардың күн сәулесіне жақын өтуі кезінде жарық сәулелерінің ауытқуы болжанып, анықталды, спектрлік сызықтардың жиілігінің қызыл гравитациялық ығысуының әсері болжанып, анықталды. Релятивистік космологияны әрі қарай қарастырайық, қазіргі физиканың кеңістік-уақыттық көріністерінің одан әрі дамуы осыған байланысты. Ғалам туралы классикалық идеяларды келесідей сипаттауға болады: ғалам шексіз және ғарышта біртекті және уақыт өте келе тұрақты. Олар Ньютон механикасының салдарының бірі болды-бұл абсолютті кеңістік пен уақыт, оның табиғаты бойынша Евклид. Мұндай модель өте үйлесімді және жалғыз болып көрінді, күнделікті сана деңгейінде бұл модель біздің 21 ғасырдың басында басым болды. Алайда, физикалық заңдар мен тұжырымдамалардың осы моделін қолданудың алғашқы әрекеттері табиғи емес тұжырымдарға әкелді. Классикалық космология қайшылықтарды жеңу үшін кейбір іргелі ережелерді (ғаламның тұрақтылығы, оның біртектілігі мен изотропиясы, кеңістіктің евклидтілігі) қайта қарауды қажет етті. Алайда, классикалық космология аясында қайшылықтарды жеңу мүмкін болмады. Жалпы салыстырмалылықтан кейінгі ғаламның моделі классикалық космологияның барлық іргелі ережелерін қайта қарастырумен байланысты. Жалпы салыстырмалылық ауырлық күшін төрт өлшемді кеңістік уақытының қисықтығымен анықтады. Салыстырмалы түрде қарапайым жұмыс моделін құру үшін ғалымдар классикалық космологияның іргелі ережелерін әмбебап қайта қарауды шектеуге мәжбүр: жалпы салыстырмалылық теориясы ғаламның біртектілігі мен изотропиясының космологиялық постулатымен толықтырылған. Ғаламның изотроптық принципін қатаң орындау оның біртектілігін тануға әкеледі. Осы постулаттың негізінде релятивистік космологияға әлемдік кеңістік пен уақыт ұғымы енгізіледі. Бірақ бұл Ньютонның абсолютті кеңістігі мен уақыты емес, олар біртекті және изотропты болғанымен, евклидтік болғандықтан, кеңістіктер нөлдік қисықтыққа ие болды. Евклид емес кеңістікке қолданған кезде біртектілік пен изотропия шарттары қисықтықтың тұрақтылығын тудырады, мұнда мұндай кеңістіктің үш модификациясы мүмкін: нөлдік, теріс және оң қисықтықпен. Мүмкіндігі үшін кеңістік және уақыт болуы, әр түрлі маңызы бар тұрақты қисықтық көтерген космология сұрақ конечна ма ғалам немесе шексіз. Классикалық космологияда мұндай сұрақ туындамады, өйткені кеңістік пен уақыттың евклидтілігі оның шексіздігін нақты анықтады. Алайда, релятивистік космологияда ақырғы ғаламның нұсқасы да мүмкін-бұл оң қисықтық кеңістігіне сәйкес келеді. Эйнштейн әлемі - үш өлшемді сфера - Евклид емес үш өлшемді кеңістік. Бұл шексіз болса да, түпкілікті. Эйнштейн әлемі кеңістікте шексіз, бірақ уақыт өте келе шексіз. Алайда, тұрақтылық жалпы салыстырмалылыққа қайшы келді, ғалам тұрақсыз болып шықты және кеңейтуге немесе кішірейтуге ұмтылды. Бұл қарама-қайшылықты жою үшін Эйнштейн теорияның теңдеулеріне жаңа термин енгізді, оның көмегімен ғаламға қашықтыққа пропорционалды жаңа күштер енгізілді, оларды тарту және итеру күштері ретінде ұсынуға болады. Космологияның одан әрі дамуы ғаламның статикалық моделімен байланысты болмады. Алғаш рет стационарлық емес модельді А. А. Фридман жасаған. Кеңістіктің метрикалық қасиеттері уақыт өте келе өзгерді. Белгілі болғандай, Әлем кеңеюде. Мұны Растауды 1929 жылы спектрдің қайта өзгеруін байқаған Э. Хаббл ашты. Галактикалардың таралу жылдамдығы қашықтыққа артып, Хаббл заңына бағынады V=H * L, мұндағы h-Хаббл тұрақтысы, L-қашықтық. Осыған байланысты екі маңызды мәселе туындайды: кеңістікті кеңейту мәселесі және уақыттың басталуы. "Галактикалардың шашырауы" деп аталатын гипотеза космология ашқан кеңістіктік метриканың тұрақсыздығының көрнекі белгісі болып табылады. Осылайша, галактикалар өзгермейтін кеңістікте ұшып кетпейді, бірақ кеңістіктің өзі кеңейеді. Екінші мәселе уақыттың басталуы туралы идеямен байланысты. Әлем тарихының бастауы T = 0 уақыт сәтіне жатады, "Үлкен жарылыс" деп аталатын уақыт пайда болған кезде, осы уақытқа дейінгі уақыт ұғымы физикалық және басқа мағынадан айырылған". Релятивистік космологияда әр түрлі анықтамалық жүйелердегі аяқ-қол мен уақыт шексіздігінің салыстырмалылығы көрсетілген. Бұл ереже әсіресе "қара тесіктер"идеяларында айқын көрінді. Біз қазіргі космологияның ең қызықты құбылыстарының бірі - гравитациялық күйреу туралы айтып отырмыз. Хокинс пен Дж. Эллис: "ғаламның кеңеюі жұлдыздың құлдырауына ұқсас, егер кеңейту кезінде уақыт бағыты керісінше болса", - деп атап өтті. Ғаламның "басталуы" да, "қара тесіктердегі" процестер де материяның өте тығыз күйімен байланысты. Бұл қасиет Шварцшильд сферасынан өткеннен кейін ғарыштық денелерге ие. Ғарыш объектісі Шварцшильдтің тиісті саласын қандай жағдайда кесіп өтсе де, одан әрі ол гравитациялық күйреу процесінде аса тығыз күйге тез ауысады. Осыдан кейін жұлдыздан ешқандай ақпарат алу мүмкін емес, өйткені бұл сферадан қоршаған кеңістік - уақытқа ештеңе шыға алмайды: "қара тесік" пайда болады. Кәдімгі әлемдегі қара тесік пен бақылаушы арасында шексіздік бар, өйткені мұндай жұлдыз уақыт өте келе шексіздіктен асып түседі. Уақыттың гравитациялық баяулауы, оның өлшемі мен дәлелі қызыл ығысу болып табылады, нейтрондық жұлдызға жақын, ал қара тесікке жақын, оның гравитациялық радиусына жақын, ол соншалықты үлкен, сондықтан уақыт қатып қалады. Күннің 3 массасына тең массадан пайда болған қара тесіктің тартылыс өрісіне түсетін дене үшін 1 миллион км қашықтықтан гравитациялық радиусқа дейін құлау шамамен бір сағатты алады. Бірақ қара тесіктен алыс орналасқан сағаттарда оның өрісіндегі дененің еркін құлауы уақыт өте келе шексіздікке дейін созылады. Құлаған дене гравитациялық радиусқа неғұрлым жақын болса, бұл ұшу алыстағы бақылаушыға соғұрлым баяу болады. Алыстан байқалған дене гравитациялық радиусқа шексіз жақындайды және оған ешқашан жетпейді. Бұл қара тесікке жақын уақыттың баяулауын көрсетеді. Осылайша, жалпы салыстырмалылықтағы кеңістік - уақыт сингулярлықты қамтитыны белгілі болды, олардың болуы кеңістіктік - уақыттық континум ұғымын сараланатын "тегіс" әртүрлілік ретінде қайта қарастыруға мәжбүр етеді. Гравитациялық күйреудің соңғы кезеңі туралы идеяға байланысты мәселе туындайды, онда жұлдыздың бүкіл массасы нүктеге (r - > 0) басылған кезде, материяның тығыздығы шексіз, кеңістіктің қисықтығы шексіз және т.б. бұл негізделген күмән тудырады. Кейбір ғалымдар гравитациялық құлдыраудың соңғы кезеңінде ешқандай кеңістік жоқ деп санайды. С. Хокинг былай деп жазады: "сингулярлық - бұл барлық белгілі физика заңдары сияқты кеңістік пен уақыттың классикалық тұжырымдамасы бұзылған жер, өйткені олардың барлығы классикалық кеңістік - уақыт негізінде тұжырымдалған. Бұл идеяларды қазіргі физиктердің көпшілігі ұстанады. Гравитациялық күйреудің соңғы кезеңдерінде кванттық әсерлерді ескеру қажет. Олар осы деңгейде басым рөл атқаратын сияқты және сингулярлыққа мүлдем жол бермеуі мүмкін. Бұл аймақта материяның субмикроскопиялық ауытқулары пайда болады деп болжанады, олар терең микромирдің негізін құрайды. Эйнштейннің салыстырмалылық теориясында тұжырымдалған кеңістік пен уақыт туралы идеялар бүгінгі таңда ең дәйекті болып табылады. Бірақ олар макроскопиялық, өйткені олар макроскопиялық нысандарды, үлкен қашықтықтарды және үлкен уақыт аралықтарын зерттеу тәжірибесіне сүйенеді. Микромир құбылыстарын сипаттайтын теорияларды құру кезінде кеңістік пен уақыттың үздіксіздігін (кеңістік-уақыт континуумын) қамтитын бұл классикалық геометриялық сурет ешқандай өзгеріссіз жаңа аймаққа көшірілді. Салыстырмалылық теориясын микромирде қолдануға қайшы келетін эксперименттік деректер әлі жоқ. Бірақ кванттық теориялардың дамуы физикалық кеңістік пен уақыт туралы түсініктерді қайта қарауды қажет етуі мүмкін. жүктеу/скачать 198,87 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|