Пространство и время в теории относительности

Теория относительности отвергает представления классической физики об абсолютности и взаимной независимости пространства и времени.

Пространство и время оказываются связанными движением, следовательно, модель реального физического мира имеет четы­рехмерную пространственно-временную структуру. Эта структура называется пространственно-временным континуумом, т. е. не­прерывным множеством точек, или миром Минковского (немецкий физик, предложивший в 1908 г. такую трактовку пространственно-временных отношений в теории относительнос­ти). В реальном физическом мире простейшее физическое отно­шение между телами не определяется pacстоянием, а простейшее отношение между событиями — промежутком времени между ни­ми. Расстояния и промежутки вре­мени есть разные стороны единого физического отношения, называе­мого пространственно-временным интервалом. При этом первичным фактом становится событие - местонахождение тела в простран­стве в определенный момент вре­мени. Всякое событие в мире Минковского представляется точ­кой, определяемой тремя коорди­натами к временем (точнее, про­изведением ct). Для наглядности учтем только две пространственные координаты (ху) (рис. 3.2). Пусть в момент времени t = 0) в начале координат (х = 0, у = 0) возник световой импульс. Пусть он зафиксирован в момент τ в некоторой точке ху Тогда

Равенство (3.11) задает в условном пространстве (см. рис. 3.2) коническую поверхность, выделяя гак называемый световой ко­нус. События-точки данного пространства при t > 0 относятся к будущему, при t < 0 - к прошлому (по отношению к событию 0). Тело, покоящееся, например в точках х = 0, у = 0. изображается в мире Минковского не точкой, а отрезком прямой, лежащим на оси ct. Этот и подобные ему отрезки называются мировыми линиями. Образующие конуса представляют собой мировые линии светового сигнала.

Рис. 3.2.

Поскольку скорость света - предельная скорость передачи любых взаимодействий, два события могут быть причинно связаны между собой только в случае, если свет за промежуток времени между этими событиями проходит расстояние, большее или равное расстоянию между этими событиями. Это означает, что мировые линии любых физических тел, проходящие через событие 0, могут лежать только внутри или на световом конусе; например, событие 0 может быть причиной события А, т. е. событие А может быть следствием события 0. Любое событие, лежащее вне светового конуса (например, В) не может быть следствием события 0. Поэтому область вне светового конуса называется абсолютно удаленной по отношению к событию 0.

Пусть некоторое событие имеет координаты х, у, сτ, а собы­тие 0: х = у = сt = 0. Тогда величина называ­ется интервалом между событиями (очевидно, для любых собы­тий, лежащих на поверхности светового конуса, интервал обра­щается в нуль). Используя преобразования Лоренца, можно показать, что т. е. при пере­ходе из одной инерциальной системы отсчета в другую интервал между событиями не изменяется.

Ньютоновы пространство и время можно рассматривать как частный случай пространственно-временного континуума, если принять, что скорость света равна бесконечности. При этом с световой конус (см. рис. 3.2) уплощается так, что область - абсо­лютно удаленного исчезает. Области абсолютного будущего и аб­солютного прошлого разделяются мгновенным абсолютным настоящим, что находится в полном соответствии с абсолютным временем Ньютона.