Пространство



Общая теория взаимодействий
альтернатива квантовой механике и теории относительности
 


 ПРОСТРАНСТВО


   В начале нашего столетия, в 1916 г., А. Эйнштейн создал общую теорию относительности. Иначе ее называют теорией пространства-времени. Словосочетание "пространство-время" пишут через дефис, так как оказалось, что эти понятия не независимы друг от друга, а органически связаны. До создания общей теории относительности думали иначе, основываясь на законах механики И. Ньютона, а также на открытом им же законе всемирного тяготения. Поэтому доэйнштейновские представления о пространстве и времени называют ньютоновскими. Не следует думать, что создание эйнштейновской теории пространства-времени означало неправильность законов Ньютона. На самом деле, как оказалось, они верны лишь в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по тем же меркам промежутков времени. Они перестают соответствовать действительности только тогда, когда речь идет об описании Вселенной в целом или, по крайней мере, доступной астрономическим наблюдениям ее части, которую называют Метагалактикой, а также в сильных полях тяготения.


   К чему сводятся ньютоновские представления о пространстве и времени? Согласно Ньютону, и пространство, и время абсолютны. Это означает, что пространство, в котором мы живем, может быть уподоблено существующему вечно, неограниченно большому, неподвижному "ящику" без стенок - вместилищу материи. Свойства этого "ящика" не меняются с течением времени и не зависят от того, как в нем распределено и перемещается вещество. Время во всех точках пространства текло и течет одинаково, т. е., в какие бы области пространства мы ни помещали часы, время они будут отсчитывать с одной и той же скоростью (см. Время). Распределение вещества в таком неизменном пространстве и его движение определяются действием закона всемирного тяготения. Согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Поскольку время во всех областях пространства течет одинаково, а само пространство неизменно, то с помощью закона всемирного тяготения всегда можно рассчитать положение и движения небесных тел и друг относительно друга, и относительно "ящика"- абсолютного пространства.

 евклидово пространство В математике свойства какого-либо пространства, или, как говорят, его метрика, определяются видом той линии, которая кратчайшим образом соединяет две произвольные точки в нем. Как известно из повседневного опыта, в пространстве, в котором мы живем, кратчайшее расстояние между двумя точками есть прямая линия. Такое пространство называется евклидовым - по имени древнегреческого математика Евклида, который первым рассмотрел его свойства.


Вместе с тем мыслимы, конечно, и другие виды пространств. Например, представим себе двумерных существ, которые не имеют понятия о существовании третьего измерения. Если они располагаются на плоскости, то их пространство также будет им представляться евклидовым. Это связано с тем, что на плоскости кратчайшее расстояние между двумя точками есть прямая линия. Если же эти существа живут, например, на сфере, то кратчайшее расстояние между двумя точками на ней это уже не прямая линия, а дуга большого круга, соединяющая точки. Такое пространство неевклидово. Неевклидово пространство можно установить по свойствам геометрических фигур. Например, сумма углов треугольника в нем не равна пи; отношение длины окружности к диаметру также не равно пи т. д.

Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что реальное пространство нашей Вселенной неевклидово. Более того, геометрия нашего пространства меняется с течением времени, а само время течет с разной скоростью в различных областях Вселенной. Именно поэтому общую теорию относительности называют, как уже упоминалось, теорией пространства-времени. Согласно этой теории, геометрические свойства пространства, изменение его геометрии со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения вещества - материи. В свою очередь, движение материи и распределение ее в пространстве зависят от его геометрии. Поэтому нельзя в действительности рассматривать отдельно поведение материи в неизменном, "застывшем" абсолютном пространстве - "ящике", как это следовало из ньютоновских представлений. Оба процесса взаимосвязаны: распределение и движение материи изменяют геометрию пространства-времени, а изменение геометрии пространства-времени определяет характер распределения и движения в нем материи. Эти процессы самосогласованны. А это означает, что и пространство, и время не абсолютны, а относительны - они проявляют себя по-разному в зависимости от конкретных условий.

Согласно общей теории относительности, степень искривления пространства, т. е. степень отклонения его от евклидовой геометрии, сильнее там, где материя обладает большей энергией. В этих же условиях время течет медленнее.

Как совместить все эти представления с тем известным из повседневного опыта фактом, на котором основана ньютоновская теория пространства и времени, что кратчайшее расстояние между двумя точками в земных условиях и даже в космических (когда речь идет, например, о расстояниях до ближайших звезд нашей Галактики) есть все-таки прямая линия?

Ответ заключается в том, что в таких ситуациях мы всегда имеем дело с относительно небольшими расстояниями. Легко понять, что если взять, например, окружность очень большого радиуса, выделить на ней маленькую дугу и соединить концы ее хордой, то зрительно такая хорда будет мало отличаться от этой дуги. Значит, для того, чтобы кривизна стала заметной, нужно, очевидно, выделить достаточно длинную дугу.

Каковы же те расстояния во Вселенной, на которых уже заметна кривизна нашего пространства? Расстояния в космосе измеряют парсеками или световыми годами. Один парсек (пс) равен 3 ·1018 см. Световой год - это расстояние, которое проходит свет за 1 год. Поскольку скорость света с = = 300 000 км/с, а 1 год = 3 ·107 с, то 1 световой год ~ 0,9' · 1018 см - 0,3 пс. Расстояние от Солнца до Земли приблизительно равно 1,5· 1013 см, т. е. 0,5· 10-5 пс. Ближайшие звезды удалены от нас на расстояние в несколько парсек. Размеры нашей Галактики, содержащей приблизительно 100 миллиардов звезд, порядка 30000 пс. Но и эти расстояния малы, на них кривизна пространства еще не проявляется. Она начинает проявляться лишь на расстояниях, исчисляемых десятками и сотнями миллионов парсек.

До сих пор мы говорили о геометрии пространства Вселенной в целом. Однако искривление пространства и изменение скорости течения времени могут заметно проявляться и в отдельных небольших участках нашей Вселенной, а именно там, где имеются сильные гравитационные поля. Такая ситуация возникает, например, вблизи так называемых "черных дыр" - особых областей пространства-времени.

На языке геометрии это будет означать: пространство в том месте, где находится "черная дыра", искривлено настолько, что движущиеся в нем любые материальные частицы, никогда не достигнут далекого наблюдателя.

неевклидово пространство
Кривизна пространства проявляется и в менее экзотических условиях. Она становится уже заметной вблизи достаточно массивных тел, таких, например, как Солнце, масса которого равна 2·1033 г. Именно таким образом была осуществлена одна из первых наблюдательных проверок общей теории относительности. Как известно, свет распространяется всегда кратчайшим путем от источника к наблюдателю. Поэтому, если бы на Земле можно было увидеть отклонение (по отношению к контрольным звездам) луча света далекой звезды, проходящего у края солнечного диска, то это как раз и означало бы, что пространство вблизи Солнца (массивного тела) искривлено.



Потому что это, в свою очередь, означало бы, что вблизи Солнца свет движется не по прямой линии, а по некоторой искривленной траектории. Разумеется, такой опыт можно поставить во время солнечного затмения, чтобы свет Солнца не мешал наблюдать слабый свет, идущий от далекой звезды. Когда такой опыт был поставлен, он подтвердил правильность теории пространства-времени, созданной Эйнштейном.


Длина - критерий измерения пространства


  Прежде всего, необходимо понять, что никакой длины самой по себе не существует. Понятие длины определяют с помощью эталона длины и рецепта измерения.

  Приложим выбранный эталон к измеряемому предмету и посмотрим, сколько раз он уложился в предмете. Полученное число (оно, как правило, дробное) и есть длина предмета. В принципе любое измерение сводится к этому рецепту, если только измеряемый предмет неподвижен относительно эталона. Но если предмет, длину которого мы хотим определить, 'движется относительно измерительного прибора, этот рецепт не годится. Такой эталон попросту нельзя "приложить". И в этом случае длину движущегося предмета следует определять иначе.

  Раз новый рецепт определения длины отличается от старого, то, естественно, и новая длина может отличаться от старой. Оказалось, что в действительности при больших скоростях длина движущегося тела заметно меньше длины покоящегося. Это следствие специальной теории относительности (сокращение длины отрицается общей теорией взаимодействий) .

  Итак, не существует никакого "свыше данного" понятия длины. Мы сами ее определяем. Длину движущегося тела можно определить двумя способами.

  Первый способ. В лабораторной системе отсчета одновременно засекаем положения начальной и конечной точек движущегося тела. Затем по известному уже рецепту измеряем расстояние между этими точками. Результат измерения и будет длиной движущегося тела. 

  Второй способ. Измеряем скорость тела относительно нашей системы отсчета.

 Далее в какой-то точке системы засекаем моменты t1 и t2, когда с этой точкой совпали начальная и конечная точки измеряемого тела. Длину движущегося тела определяем как l = v0(t2 - t1). 

Оба способа определения дают один и тот же результат: l = lо (1- v2/c2), где lо - длина тела в состоянии покоя, с - скорость света. В первом случае в нашем определении появилось понятие одновременности двух событий ("засечек" начальной и конечной точек измеряемого тела) в разных точках системы отсчета.

Единицы измерений физических величин


Результат измерения физической величины обычно выражают в виде числа. Говорят о длине в 1 метр, расстоянии в 5 миль, скорости корабля в 15 узлов и т. д. Для каждой физической величины существует определенный условный масштаб, есть единицы, в которых эта величина измеряется.

В древние времена единицы выбирались произвольно и в разных местах Земли по-разному. В трудах древних авторов часто невозможно понять, что означает то или иное численное значение длины, веса, стоимости монеты.

В наше время большая часть единиц становится универсальной, хотя нефть до сих пор измеряется в баррелях, алмазы - в каратах, скорость на море - в узлах, а на суше - в км/ч. Принятая сейчас Международная система единиц (СИ) дает для всех физических величин единый масштаб, к которому можно относить и любые специальные единицы, принятые в разных отраслях науки и техники и в разных странах.

В механике используются три масштаба. Два из них связаны с геометрией пространства, с расстоянием и временем, эталоны для них - длина волны и излучение атомов. В мире, где все тела двигались бы только по инерции, только равномерно и прямолинейно, никаких других единиц не понадобилось бы.

Для описания взаимодействия тел с помощью уравнений механики введена еще и третья единица - масса. Эталон массы пока еще не связан с атомами, и она измеряется сравнением с массой стандартного цилиндра, хранящегося в специальном институте - Палате мер и весов.

Развитие квантовой физики и теории тяготения показало, что в природе существуют естественные эталоны, более фундаментальные, чем характеристики атомов и молекул. Если именно такие величины выбрать в качестве единиц измерения, то мы получили бы естественную систему единиц, не связанную ни с каким конкретным веществом или прибором.

Такой естественной единицей является скорость света в вакууме, которая, как известно, не зависит от скорости движения источника или наблюдателя. Скорость света, очевидно, связывает между собой длину и время. Астрономы измеряют длину световыми годами - длиной пути, который свет проходит в 1 год (1 св. год = 9,463 1012 км).

Второй такой единицей может служить постоянная Планка h - отношение энергии кванта к его частоте (Е = h×ν). Постоянная Планка имеет размерность Дж · с.

Из двух величин с и h можно построить единицу для измерения электрического заряда, вернее, его квадрата. Заряд электрона е выражается в этих единицах: 
е = (h с/137,0360)1/2
В качестве единицы массы можно выбрать массу какой-нибудь элементарной частицы. Если для этого использовать массу электрона, то мы получим единицы для измерения длины: λ = h/mс = 3,862 · 10-11 см. 
Единица времени получается отсюда как время, в течение которого свет проходит расстояние, равное λe
При таком выборе единиц остается произвол лишь в выборе электрона, а не какой-либо другой частицы. В мире элементарных частиц масс очень много, и до сих пор не ясно, какие из них более фундаментальны.
Можно построить систему единиц, которая лишена произвола и в которой все единицы составлены из фундаментальных постоянных. Если добавить к с и h еще гравитационную постоянную γ, то получим так называемую систему Планка, используемую в науке о происхождении Вселенной - космологии.


В этой системе единицы имеют очень непривычные величины. Приведем некоторые из них.
Единица длины lp = (hγ/с3)1/2 = 1,61· 10-33см. 
Единица времени tp = (hγ/с5)1/2 = 0,54 · 10-43c.
Единица массы mp = (hс/γ)1/2 = 2,18 · 10-6 г.


Эти единицы определяют масштабы тех явлений, в которых силы гравитационные оказываются того же масштаба, что и силы электромагнитные.
До сих пор речь шла лишь о единицах, с которыми имеет дело механика. В электрических и магнитных явлениях до последнего времени все измерения сравнивались с эталонами. Конечно, заряд электрона в принципе можно измерить, если измерить силу отталкивания двух электронов, но такое измерение нельзя сделать сколько-нибудь точно по современным требованиям. Поэтому практически вольт, ом и кулон не совпадают точно с этими же единицами в системе СИ. Здесь на помощь приходит квантовая механика, позволяющая вычислить возможные значения энергии электрона в электрическом или магнитном полях. Эти значения энергии определяют разные эффекты, и можно подобрать такие условия для сверхпроводников и полупроводников, при которых измеряемые величины выражаются через заряд электрона и постоянную Планка и не зависят от температуры, свойств источника тока и т. д. Так, частота излучения в эффекте Джозефсона определяет разность потенциалов (эталон вольта), а разность потенциалов в эффекте Холла определяет сопротивление образца (эталон ома) . Такие электрические эталоны вольта и ома собираются ввести как основные - этим будет завершено создание естественной системы единиц.
Любопытно отметить, что в системе единиц Планка единица сопротивления имеет вполне разумную величину. Она просто равна обратной величине скорости света (сопротивление, как известно, имеет размерность, обратную скорости): rp = 1/c = 3,3357 ·10-11с/см. 
В системе СИ эта величина равна 30 Ом, так как 1 Ом = (9 · 1011)-1с/см.

Пространство. Чего не сказал Эйнштейн?


Всё что было написано выше, относится к взглядам Стандартной модели, в которой считается доказанным расширение пространства нашей Вселенной, возникают сингулярности и неопределённости некоторых физических величин. Даже казалось бы незыблемый постулат общей теории относительности о невозможности движения материальных тел со скоростями, превышающими скорость света приходится в этой модели игнорировать. Да и само искривление пространства описано Эйнштейном крайне не понятно.

Опишем свой подход к пониманию пространства. Повторим ещё раз определение. Пространство - совокупность конкретного для данной области расположения бионов, обладающих характеристиками соответствующими именно этой области.

Искривление пространства состоит в том, что бионы в этой области ориентированы таким образом или вращаются таким способом, что распространяющаяся в данной области электромагнитная волна искажается. Приведём рисунок искривлённости пространства, каким она (искривлённость) понимается в общей теории взаимодействий.

искривление пространства Линия распространения света оказывается прямой линией, но вот плоскость немного поворачивается вокруг соответствующей оси. И такой поворот будет происходить при движении в любом направлении. То есть, если мы попытаемся замкнуть куб пройдя некоторые одинаковые расстояния последовательно в трёх взаимно перпендикулярных направлениях по два раза, то в начальную точку своего маршрута мы строго не попадём. Объём куба, построенного на гранях нашего пути окажется немного большим, чем R3. Причина этого состоит в том, что при передаче электромагнитной волны происходит постепенное смещение плоскости вращения биона, и такое смещение равно 360 градусам, для расстояния в 300 000 км (смотрите электромагнитные волны).

Ещё одним недосмотром Эйнштейна является полное игнорирование им в общей теории относительности закона сохранения энергии. Заметьте, что при переносе системы отсчёта мы не сможем учесть той энергии, которой обладало данное тело в этой системе отсчёта, а также проигнорируем искривлённость пространства в промежутке между начальным и конечным положениями системы отсчёта. 

 


 ©  Общая теория взаимодействий  -  все права защищены.
Rambler's Top100

     При использовании материалов, обязательна ссылка на http://www.b-i-o-n.ru/
Работает на: Amiro CMS