преобразований Лоренца:
x-vt t-vx/c¤
x'=--------- , y'=y, z'=z, t'=----------,
_1-v¤/c¤ _1-v¤/c¤
где x, y, z, t - координаты в одной системе, x', y', z', t' - в
другой.
Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности
протяжённости и длительности, величина которых зависит от
движения системы отсчёта:
________ dt0
l=l0_1-v¤/c¤, dt=----------
_ 1-v¤/c¤
В специальной теории относительности функционирует новый закон сложения скоростей, из которого вытекает невозможность превышения скорости света.
Коренным отличием специальной теории относительности от
предшествующех теорий является признание пространства и
времени в качестве внутренних элементов движения материи,
структура которых зависит от природы самого движения, является
его функцией. В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца
оказываются связанными с новыми свойствами пространства и
времени: с относительностью длины и временного промежутка, с
равноправностью пространства и времени, с инвариантностью
пространственно - временного интервала.
Важный вклад в понятие "равноправность" внёс Г.Минковский.
Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени,
которые оказались компонентами единого четырёхмерного
континуума. Разделение на пространство и время не имеет смысла.
Пространство и время в специальной теории относительности
трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако было бы
ошибочным представлять пространственно - временную структуру
новой теории как проявление одной лишь концепции
относительности.
3. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА.
3.1. Пространственно-временные представления
квантовой механики.
Создание Эйнштейном специальной теории относительности не
исчерпывает возможности взаимодействия механики и
электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было
выявлено противоречие как в истолковании экспериментальных
данных, так и в теоретической согласованности этих выводов. Это
повлекло за собой рождение квантовой механики. Она положила
начало неклассической физике, открыла дорогу к познанию
микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманию
процессов в недрах звёзд и "начале" Вселенной.
В конце XIX века физики начали исследовать, как
распределяется излучение по всему спектру частот. В тот период
физики задались также целью выяснить природу взаимосвязи
энергии излучения и температуры тела. М. Планк пытался решить
эту проблему с помощью методов классической электродинамики, но это не привело к успеху. Попытка решить проблему с позиции
термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и
эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с
помощью интерполяции:
8 h
------v
c
р = ------------- , где
hv
exp(--) - 1
kT
v - частота излучения, Т - температура, k - постоянная
Больцмана.
Полученная Планком формула была очень содержательной,
кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h,
которую Планк назвал элементарным квантом действия.
Справедливость формулы Планка достигалась очень странным
для классической физики предположением: процесс излучения и
поглощения энергии является дискретным.
C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло
представление о карпускулярно - волновом дуализме. Реальная
природа света может быть представлена как диалектическое
единство волны и частиц.
Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было
предложено множество противоречащих друг другу моделей. Выход был найден Н. Бором путём синтеза планетарной модели атома Резерфорда и квантовой гипотезы. Он предположил, что атом может иметь ряд стационарных состояний при переходе в которые поглащается или излучается квант энергии. В самом же стационарном состоянии атом не излучает. Однако теория Бора не объясняла интенсивности и поляризации излучения. Частично с
этим удалось справиться с помощь принципа соответствия Бора.
Этот принцип сводится к тому, что при описании любой
микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией, применяемой в макромире.
Принцип соответствия сыграл важную роль в исследованиях де
Бройля. Он выяснил, что не только световые волны обладают
дискретной структурой, но и элементарным частицам материи
присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема
создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929
году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое
уравнение, носящее его имя.
Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения
Шредингера. Он показал, что это уравнение описывает амплитуду
вероятности нахождения частицы в данной области пространства.
Чуть раньше (1925г.) Гейзенбергом была разработана
квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на
соотношении неопределённостей Гейзенберга: чем больше
неопределённость пространственной координаты, тем меньше
неопределённость значения импульса частицы. Аналогичное
соотношение имеет место для времени и энергии частицы.
Таким образом, в квантовой механике была найдена
принципиальная граница применимости классических физических
представлений к атомным явлениям и процессам.
В квантовой физике была поставлена важная проблема о
необходимости пересмотра пространственных представлений
лапласовского детерминизма классической физики. Они оказались
лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование принципиальной неопределённости в состоянии объекта, наличие черт целостности и индивидуальности в микромире, что и выражалось в понятии универсального кванта действия h.
Квантовая механика была положена в основу бурно
развивающейся физики элементарных частиц, количество которых
достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не
создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных
частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё
большими трудностями. Оказалось, что микромир является
многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют
специфические виды взаимодействий и специфические свойства
пространственно - временных отношений. Область доступных в
эксперименте микроскопических интервалов условно делится на
четыре уровня: 1) уровень молекулярно - атомных явлений, 2)
уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов,
3) уровень элементарных частиц, 4) уровень ультрамалых
масштабов, где пространственно - временные отношения
оказываюстя несколько иными, чем в классической физике
макромира. В этой области по-иному следует понимать природу
пустоты - вакуум.
В квантовой электродинамике вакуум является сложной
системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов,
электронно - позитронных пар и других частиц. На этом уровне
вакуум рассматривают как особый вид материи - как поле в
состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая
электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и
время нельзя оторвать от материи, что так называемая "пустота"
- это одно из состояний материи.
Считается, что в вакууме, в любой точке пространства существуют «нерожденные» частицы и поля абсолютно всех возможных видов. Но их энергия недостаточно велика, чтобы они могли появиться в виде реальных частиц. Наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц получило название нулевых колебаний вакуума. В частности, в вакууме во всех направлениях движутся фотоны всех возможных энергий и частот. Но так как эти частицы летят во всех направлениях, то их потоки взаимно уравновешивают друг друга, и мы ничего не ощущаем.
В тех случаях, когда однородность потока скрытых частиц нарушается, движется больше, чем в противоположном, нулевые колебания в вакууме начинают себя проявлять [4].
В физике микромира по одной из систематик на основе весьма общих теоретических соображений все элементарные частицы делятся на 3 класса: I класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, II - электрон и нейтрино, III класс - андроны - самый многочисленный (их известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности, протон, нейтрон и мезон - частицы с массами промежуточными между массой электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы получили название резонансов [4].
Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят массу протона. И есть предположение, согласно которому «спектр масс» элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться макроскопические и даже космические объекты.
Во всяком случае современная теория элементарных частиц такую возможность допускает.
Согласно одной из гипотез Вселенная, выйдя из исходного состояния, поначалу была вообще пустой, а все вещество и излучение возникли из вакуума.
Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 1056 г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию галактик [4].