Мир вокруг нас

Т. о. время, на неклассическом этапе, — перестало быть константой, и предстало относительным. Для двухмерного пространства, изменение течения времени — можно представить, например, так: чтобы попасть из точки, расположенной у одного подножия холма (= искривления двухмерного пространства), в точку, расположенную с противоположной стороны — приходится затратить больше времени, чем если бы на пути — не стоял холм. Путь в искривлённом пространстве т. о. — занимает больше времени, т. е. время растягивается (= искривляется). В этом примере уже видно, что искривление пространства (в виде увеличения расстояния между точками, из-за наличия холма) — неизбежно влечёт за собой искривление (растяжение) и времени (т. о. пространство и время — неотделимы друг от друга, составляя единое целое, пространство-время). Аналогичным представляется и четырёхмерное пространство-время, хотя оно, как уже говорилось, лишено наглядного представления.

Итак, поле, по крайней мере, гравитационное, являясь искривлением пространства, согласно теории относительности — должно содержать в своём составе, с неизбежностью — и искривление времени. Действительно, экспериментально проверено (доказано), что течение времени на поверхности Земли — является несколько (немного) более медленным, чем например, в космическом пространстве на орбите вокруг Земли. Причиной искривления (= замедления) времени на Земле — является гравитационное поле, как искривление пространства (но не двухмерного, а трёхмерного).

Время замедляется (растягивается) и в других полях, хотя механизм этого — косвенный, т. к. дополнительные измерения пространства (подвергающиеся в них искривлениям) — ненаблюдаемы, а значит, не должны влиять на наблюдаемое время. Но любое поле, обладая энергией, а значит, массой, согласно теории относительности, создаёт своё гравитационное поле (= искривление четырёхмерного пространства-времени, которое включает соответствующую величину замедления времени). Иными словами, любое поле, в связи с этим — может рассматриваться как искривление не только в ненаблюдаемых (дополнительных) измерениях пространства, но одновременно и в наблюдаемых четырёх измерениях пространства и времени (проявляясь как гравитационное поле).

Крайним случаем искривлённого пространства и времени — является чёрная дыра, — объект, в котором искривление приводит к формированию т. н. горизонта событий, пространство-время под которым — как бы выпадает из нашего Мироздания (события, происходящие за горизонтом — уже не могут влиять на окружающий Мир, т. к. ничто, даже свет, не может покинуть эту область). (Подробнее, эти объекты (чёрные дыры) — будут рассматриваться позже).

Скорость света

Одной из краеугольных идей, в теории относительности, является также представление о существовании предельной скорости движения — скорости света. Это, естественно, резко противоречит классическим представлениям (в которых скорость ничем не ограничивалась, т. е. могла стремиться к бесконечности, т. к. объекты двигались в пустоте (или же скорость могла ограничиваться эфиром, подобно скорости звука в воздухе, однако не исключала сверхсветовые скорости)). Пустоты, как и эфира, на неклассическом этапе — нет, однако представить, почему скорость всё-таки ограничивается, наглядно — невозможно, и это просто констатируется (в т. ч. наблюдается), как одно из свойств окружающего Мира.

Никакой объект в Мироздании — не может двигаться быстрее скорости света (равной примерно 300 000 км/с). Согласно теории Эйнштейна, всякий объект, обладающий т. н. массой покоя — не может быть даже разогнан до скорости света, т. к. масса — относительна, и при ускорении — растёт, причём при приближении к скорости света, масса растёт неограниченно, и может стремиться к бесконечности. Поэтому никакой объект не может даже достигнуть скорости света, не то что её преодолеть (за исключением частиц с нулевой массой покоя — фотонов, и т. п., которые всегда движутся со скоростью света, но всё же не выше её).

Принцип относительности

В теории относительности, скорость света, измеряемая в любой системе отсчёта (хоть покоящейся, хоть движущейся, в т. ч. ускоренно) — всегда постоянна. С т. зр. классических представлений — это понять невозможно, т. к. противоречит простому правилу сложения скоростей: классически, скорость света, как и любого другого движения — должна отниматься или прибавляться к скорости движения наблюдателя. Двигаясь навстречу лучу света, можно было бы ожидать, что скорость света окажется больше 300 000 км/с (т. е. скорость движения наблюдателя прибавится к ней), но в теории относительности (и согласно экспериментальным данным) — это не так: скорость света всегда постоянна (как константа).

Постоянная скорость света, независящая от движения или покоя наблюдателя (т. е. системы отсчёта) — неизбежно ведёт к эйнштейновскому принципу относительности, согласно которому (и что подтверждается наблюдениями), все законы природы, в т. ч. значение скорости света как константы — оказываются одинаковы для всех наблюдателей, что означает равноправие всех систем отсчёта. Иными словами, нельзя выделить одну-единственную правильную (= абсолютную) систему отсчёта, а значит, все они относительны.

При этом, в разных системах отсчёта, измерения длины, течения времени, и массы одного и того же объекта — оказываются различными: так, если наблюдаемый объект движется относительно системы отсчёта, его измеряемая масса — возрастает, течение времени в нём — замедляется, а длина — сокращается. В системе отсчёта, в которой этот же объект покоится, и системе, которая движется с иной скоростью относительно объекта, масса, течение времени, и длина этого объекта — имеют иные численные значения, что немыслимо с т. зр. классической логики. Однако т. к. все системы отсчёта, согласно принципу относительности — равноправны (= относительны), значит, все измерения — в равной степени верны, и т. о. масса — относительна, и скорость течения времени, и длина.

Всё это, как и сама относительность (= равноправие) систем отсчёта — вытекает из требования (и наблюдения) постоянства скорости света: Действительно, легко показать, например, что если бы не происходило замедления времени — внутренние движения, оставаясь неизменными, в ускоряющемся объекте (например, ракете), складываясь с возрастающим внешним движением — превысили бы скорость света. Поэтому при возрастании скорости объекта, тем больше, чем ближе его скорость к скорости света, для внутренних движений «не остаётся места», и они — вынуждены всё более замедляться, т. е. замедляться течение времени. Аналогично — и для других свойств.

Все эти изменения — происходят и при движении наблюдателя, с самим наблюдателем, но видны лишь извне (наблюдатель — не может почувствовать замедления собственного времени, роста массы, и сокращения длины, т. к. все частицы обретают их в равной степени (благодаря этому, законы природы, включая константу скорости света, для наблюдателя — не меняются: например, хотя луч света, движущийся вдоль пути ракеты — относительно ракеты имеет меньшую скорость, наблюдатель в ракете, благодаря замедленному течению собственного времени, измерит всё те же 300 000 км/с, как и любой другой наблюдатель)).

Из принципа относительности, также вытекает эквивалентность массы и энергии (масса — есть мера инертности объекта, т. е. его сопротивляемости изменению скорости; эта сопротивляемость должна возрастать, при ускорении объекта, чтобы обеспечить недостижимость скорости света для объекта, имеющего массу покоя; рост (инертной) массы при росте кинетической (и полной) энергии объекта, указывает на эквивалентность массы и энергии (E = mc²)).

Принцип эквивалентности

Помимо эквивалентности (инертной) массы и энергии, в теории относительности существует ещё один ключевой принцип эквивалентности, предполагающий неразличимость (тождественность) явлений, обусловленных инерцией тел и действием гравитации. Примером явления, обязанного инерции, служит, например, падение предметов вниз, в ускоряющейся ракете, а также вес предметов в ней (= давление, оказываемое ими на дно ракеты). Этот вес и ускоренное падение предметов в ракете — аналогичны таковым в гравитационном поле. Также и в центрифуге, инерция — прижимает тела к стенке (создаёт вес), и тоже действует аналогично гравитационному полю. Согласно принципу эквивалентности, наблюдатель не может различить, вызвано ли ускоренное падение и вес тел — инерцией в центрифуге / ускоряющейся ракете или наличием гравитационного поля, т. е. утверждается тождественность (эквивалентность) этих явлений.