| 11652078 12288 3054 948 1озволяет считать, что они описывают свойства пространства-времени, а не свойства конкретных процессов. Свойства преобразований Пуанкаре могут быть описаны различными способами (так же, как можно описывать различными способами свойства движений в трёхмерном пространстве); наиболее простое описание получается при использовании инерциалъных систем отсчёта и связанных с ними часов. Роль инерц. систем отсчёта (и. с. о.) в О. т. такая же, как роль прямоугольных декартовых координат в геометрии Евклида.
Инерциальные системы отсчёта
С той степенью точности, с какой свойства данной области пространства-времени описываются частной О. т., можно ввести и. с. о., в к-рых описание пространственно-временных закономерностей О. т. принимает особенно простую форму. Под системой отсчёта в этом случае можно подразумевать жёсткую систему твёрдых тел (или её мысленное продолжение), по отношению к к-рой определяются положения событий, траектории тел и световых лучей. Любая система отсчёта, движущаяся относительно данной и. с. о. равномерно и прямолинейно без вращения, также будет инерциальной, а система отсчёта, вращающаяся или движущаяся ускоренно, уже не будет и. с. о. Следовательно, и. с. о. образуют выделенный класс систем отсчёта. В и. с. о. справедлив закон инерции, т. е. свободная (не испытывающая воздействий др. тел) частица движется в и. с. о. прямолинейно и (при принятой синхронизации часов; см. ниже) равномерно. Требование выполнения закона инерции может быть принято как определение и. с. о. Первый закон Ньютона может рассматриваться при этом как утверждение о существовании таких систем отсчёта. Все и. с. о. равноправны; это равноправие является непосредственным выражением принципа относительности.
Степень инерциалыгости системы отсчёта зависит от свойств гравитац. полей, действующих в рассматриваемой области пространства-времени. Количеств, критерии применимости частной О. т. и инерциальности систем отсчёта рассматриваются в ОТО.
В области пространства-времени, в к-рой справедлива частная О. т., можно пользоваться и неинерц. системами отсчёта (так же, как можно пользоваться криволинейными координатами в геометрии Евклида), но при этом описание свойств пространства-времени оказывается более сложным.
В данной и. с. о. необходимо определить способ измерения времени и координат. В и. с. о. трёхмерная пространств, геометрия- евклидова, если прямые определить, напр., как траектории световых лучей, а расстояния измерять твёрдыми масштабами. Поэтому в данной и. с. о. можно ввести декартовы прямоугольные координаты х, у, z. Для определения времени t события можно принять, что в той точке, где оно произошло, находятся часы, покоящиеся в данной и. с. о. Если события происходят в разных точках А, В, то для сравнения их времён нужно синхронизировать часы в A и В, т. е. определить значение того, что часы в Л и В показывают одинаковое время. Обычное определение таково: пусть в момент tA по часам в A посылается сигнал в В, а в момент его прибытия в В посылается такой же сигнал из В в Л; если сигнал пришёл в Л в момент t'A, то принимается, что сигнал пришёл в В в момент tв = (tА + t'А)/2 и соответственно устанавливаются часы в В. При таком определении времена распространения сигнала из Л в В и из В в А одинаковы и равны (t'А - tА)/2. Сигналами могут служить световые вспышки, звуковые сигналы (если среда, в к-рой они распространяются, покоится по отношению к данной системе отсчёта), выстрелы из двух одинаковых орудий, установленных в Л и В, и т. д., требуется лишь, чтобы условия передачи сигнала из Л в В и из В в Л были одинаковыми. Целесообразность такого определения времени связана с тем, что в любой и. с. о. отсутствует к.-л. физически выделенное направление; описанная процедура синхронизации часов симметрична относительно Л и В и поэтому не вносит анизотропии в способ описания. Отсутствие выделенного направления проявляется в том, что синхронизация любыми сигналами приводит к одному и тому же результату; к такому же результату приводит медленный (с v << с) перенос часов из Л в В. При практич. измерениях времён и координат используются многочисл. косвенные методы, при условии, что они дают такой же результат, как и описанные выше процедуры. В любой другой и. с. о. координаты и время измеряются с помощью таких же масштабов и часов, синхронизируемых таким же способом. Заранее не очевидно, что времена, определённые таким образом в двух различных и. с. о., будут одними и теми же, и они действительно оказываются различными. После того как синхронизация произведена, могут измеряться скорости частиц и сигналов в данной и. с. о., в частности скорость распространения световых сигналов. Скорость света в любой и. с. о. всегда равна с.
Преобразования Лоренца
Рассмотренные выше активные преобразования непосредственно связаны с пассивными преобразованиями, описывающими связь между координатами и временем данного события в двух различных и. с. о. В силу принципа относительности безразлично, сообщить ли телу скорость V по отношению к данной и. с. о. L или перейти к системе отсчёта L', движущейся со скоростью V относительно L,- закон преобразования координат и времени должен быть одним и тем же.
Вследствие справедливости симметрии 1-4, преобразования, связывающие координаты и времена событий х, у, z, t и х', у', z', t', измеренные в двух и. с. о. L и L', должны быть линейными. Из симметрии 1-4 и требования, чтобы преобразования составляли группу, можно получить вид этих преобразований. Если система отсчёта L' движется относительно L со скоростью V, то при надлежащем выборе осей координат и начал отсчёта времени в L и Z' (оси х и х' совпадают и направлены по V, оси у и у', г и г' соответственно параллельны, начала координат О и О' совпадают при t = 0 и часы в L' установлены так, что при t = 0 часы в О' показывают время f = 0) преобразования координат и времени имеют вид:
[1850-4.jpg]
где с - произвольная постоянная, имеющая смысл предельной скорости движения (равной скорости света в вакууме). Эта постоянная может быть определена из любого эффекта О. т. (напр., замедления времени распада быстрого я-мезона). Справедливость кинематики и динамики, основанных на преобразованиях (2), подтверждена неисчислимой совокупностью экспериментальных фактов.
Преобразования Лоренца (2) вместе с преобразованиями вращения вокруг начала координат образуют группу Лоренца; добавление к ней сдвигов во времени t' = t + а и в пространстве х' = х + b (где а, Ь - произвольные постоянные размерности времени и длины) даёт группу Пуанкаре.
Из принципа относительности вытекает, что физич. законы должны иметь одинаковую форму во всех и. с. о.; следовательно, они должны сохранять свой вид при преобразованиях Лоренца. Это требование наз. принципом (постулатом) релятивистской инвариантности, или лоренц-инвариантности (лоренц-ковариантности), законов природы.
Из преобразований Лоренца вытекает релятивистский закон сложения скоростей. Если частица или сигнал движется в L по оси х со скоростью и, то в момент tx = vt и скорость частицы v' = = x'/t', измеряемая в системе L', равна:
[1850-5.jpg]
Эта формула отражает осн. черту релятивистской кинематики - независимость скорости света от движения источника. Действительно, если скорость света, испущенного покоящимся в нек-рой и. с. о. L источником, есть с, v = с, то из закона сложения скоростей (2) получаем, что измеренная в и. с. о. L' скорость света v' также равна с. Так как направление оси х произвольно, то отсюда следует независимость скорости света от движения источника. Это свойство скорости света однозначно определяет вид преобразований Лоренца: постулировав независимость скорости света от движения источника, однородность пространства и времени и изотропию пространства, можно вывести преобразования Лоренца.
Особая роль скорости света в О. т. связана с тем, что она является предельной скоростью распространения сигналов и движения частиц, достигаемой при энергии частицы, стремящейся к бесконечности, или массе, стремящейся к нулю; если бы масса покоя то фотона оказалась хотя и очень малой, но отличной от нуля (экспериментально установлено, что my < 4*10-21 тe, где тe - масса электрона), то скорость света была бы меньше предельной. Чтобы предельная скорость вообще могла существовать, она не должна зависеть от движения источника частиц.
Из преобразований Лоренца легко получить осн. эффекты О. т.: относительность одновременности, замедление времени, сокращение продольных размеров движущихся тел. Действительно, события 1, 2, одновременные в одной и. с. о. L : t1 = t2 и происходящие в разных точках х\, х2, оказываются неодновременными в другой и. с. о. L':t1'-t2'=(х2-х1)*V/c2*на корень из(1-V/c2) не равно 0. Далее, когда часы, покоящиеся в Z. в точке х = 0, показывают время t, то время t' по часам в L', пространственно совпадающим с часами в Z, в этот момент времени, есть
[1850-6.jpg]
т. е. с точки зрения наблюдателя в L' часы в L отстают. В силу принципа относительности отсюда следует, что с точки зрения наблюдателя в L' все процессы в L. замедлены в такое же число раз.
Легко получить также, что размеры l всех тел, покоящихся в L, оказываются при измерении в L' сокращёнными
в корень из(1 - V2/c2) раз в направлении V:
[1850-7.jpg]
В частности, продольный диаметр сферы, движущейся со скоростью v относительно L', будет при измерении в L' в корень из (1-v2/с2)раз короче, чем поперечный. (Заметим, что это сокращение не обнаружилось бы на мгновенной фотографии сферы: из-за различного запаздывания световых сигналов, приходящих от разных точек сферы, её видимая форма остаётся прежней.)
Для и. с. о. пространственно-временные эффекты, определяемые преобразованиями Лоренца, относительны: с точки зрения наблюдателя в L замедляются все процессы и сокращаются все продольные масштабы в L'. Однако это утверждение несправедливо, если хотя бы одна из систем отсчёта неинерциальна. Если, напр., часы 1 перемещаются относительно L из Л в В со скоростью с, а потом из В в Л со скоростью - v, то они отстанут по сравнению с покоящимися в А часами 2 в корень из (1-v2/c2) раз; это можно обнаружить прямым сравнением, так что эффект абсолютен. Он должен иметь место для любого процесса; напр., близнец, совершивший путешествие со скоростью v, вернётся в корень из (1-v2/c2) раз более молодым, чем его брат, остававшийся неподвижным в и. с. о. Это явление, получившее назв. "парадокса близнецов", в действительности не содержит парадокса: система отсчёта, связанная с часами 1, не является ннерциаль-ной, т. к. эти часы при повороте в В испытывают ускорение по отношению к инерциальной системе; поэтому часы 1 и 2 неравноправны.
При малых скоростях v преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея х'=х-vt, у'=у, z'=z, t'=t, к-рые описывают связь между картинами различных наблюдателей, известную из повседневного опыта: размеры предметов и длительность процессов одинаковы для всех наблюдателей.
Преобразования Пуанкаре оставляют инвариантной величину, наз. интервалом SAB между событиями Л, В, к-рая определяется соотношением:
[1850-8.jpg]
Математически инвариантность s аналогична инвариантности расстояния при преобразованиях движения в евклидовой геометрии. Величины ct, х, у, z можно рассматривать как четыре координаты события в четырёхмерном пространстве Минковского: x0 = ct, х1 = х, х2 = у, х3 = z, к-рые являются компонентами четырёхмерного вектора.
Если вместо х0 ввести мнимую координату x4 = ix0 = ict, то произвольное преобразование Пуанкаре можно записать в виде, полностью аналогичном формуле, описывающей вращения и сдвиги в трёхмерном пространстве.
Вследствие того, что квадраты разностей временных и пространств, координат входят в (6) с разными знаками, знак s2 может быть различным; геометрия такого пространства отличается от евклидовой и наз. псевдоевклидовой. В такой геометрии интервалы разделяются на три типа: s2<0, s2>О и s2=0. Интервалы первого и второго типа наз. соответственно времени-подобными н пространственноподобными. Если s2>=0, знак tA-tBне зависит от системы отсчёта. Это тесно связано |
