Пространство и время

Пространство и время Также известно как: четырехмерное пространство, пространственно-временной континуум.

Пространство и время в физической науке единая концепция, признающая союз пространства и времени, впервые предложенная математиком Германом Минковским в 1908 году как способ переформулировать специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна 1905.
Обычная интуиция ранее предполагала отсутствие связи между пространством и временем. Физическое пространство считалось плоским, трехмерным.континуум то есть расположение всех возможных точек, к которому применимы постулаты Евклида. Для такого пространственного многообразия наиболее естественно подходили декартовы координаты и можно было удобно разместить прямые линии. Время рассматривалось независимо от пространства как отдельный одномерный континуум совершенно однородный на всей своей бесконечной протяженности. Любое «сейчас» во времени можно рассматривать как источник, из которого можно перенести продолжительность прошлого или будущего в любой другой момент времени. Равномерно движущиеся пространственные системы координат, прикрепленные к однородным временным континуумам представляли все не ускоренные движения, особый класс так называемых инерциальных систем отсчета. Вселенная согласно этому соглашению называлась Ньютоновской. В ньютоновской Вселенной законы физики были бы одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета, так что нельзя было бы выделить одну из них как представляющую абсолютное состояние покоя.
Во Вселенной Минковского временная координата одной системы координат зависит как от временных, так и от пространственных координат другой относительно движущейся системы в соответствии с правилом, которое формирует существенное изменение, необходимое для специальной теории относительности Эйнштейна; согласно теории Эйнштейна, не существует такой вещи, как «одновременность» в двух разных точках пространства, а следовательно, и абсолютного времени, как в ньютоновской вселенной. Вселенная Минковского, как и ее предшественница, содержит отдельный класс инерциальных систем отсчета, но теперь пространственные размеры, масса и скорости относятся к инерциальной системе координат наблюдателя, следуя особым законам, впервые сформулированным Х.А. Лоренцем а затем сформировали центральные правила теории Эйнштейна и ее интерпретации Минковского. Только скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Каждый набор координат или конкретное пространственно-временное событие в такой вселенной описывается как «здесь-сейчас» или мировая точка. В каждой инерциальной системе отсчета все физические законы остаются неизменными.
Общая теория относительности Эйнштейна (1916 г.) снова использует четырехмерное пространство-время, но включает гравитационные эффекты. Гравитация больше не рассматривается как сила, как в системе Ньютона, а как причина «искажения» пространства-времени эффекта, явно описываемого набором уравнений, сформулированных Эйнштейном. В результате получается «искривленное» пространство-время в отличие от «плоского» пространства-времени Минковского, где траектории частиц представляют собой прямые линии в инерциальной системе координат. В искривленном пространстве-времени Эйнштейна, прямом расширении идеи Римана об искривленном пространстве (1854 г.), частица следует замировая линия или геодезическая, в некоторой степени аналогична тому, как бильярдный шар на искривленной поверхности будет следовать по пути, определяемому искривлением или искривлением поверхности. Один из основных принципов общей теории относительности заключается в том, что внутри контейнера, следующего по геодезической линии пространства-времени, такого как лифт в свободном падении или спутник, вращающийся вокруг Земли, эффект будет таким же, как полное отсутствие гравитации Траектории световых лучей также являются геодезическими пространства-времени особого рода, называемыми «нулевыми геодезическими». Скорость света снова имеет ту же постоянную скорость c.
В теориях Ньютона и Эйнштейна путь от гравитационных масс к траекториям частиц довольно окольный. В ньютоновской формулировке массы определяют общую гравитационную силу в любой точке, которая согласно третьему закону Ньютона определяет ускорение частицы. Действительный путь, как и на орбите планеты находится путем решения дифференциального уравнения В общей теории относительности нужно решить уравнения Эйнштейна для данной ситуации, чтобы определить соответствующую структуру пространства-времени, а затем решить вторую систему уравнений, чтобы найти путь частицы. Однако, призвав Используя общий принцип эквивалентности эффектов гравитации и равномерного ускорения, Эйнштейн смог вывести некоторые эффекты, такие как отклонение света при прохождении массивного объекта, например звезды Первое точное решение уравнений Эйнштейна для одной сферической массы было выполнено немецким астрономом Карл Шварцшильд (1916). Для так называемых малых масс решение не слишком сильно отличается от того, которое дает закон гравитации Ньютона, но достаточно, чтобы объяснить ранее необъяснимую величину продвижения перигелия Меркурия. Для «больших» масс решение Шварцшильда предсказывает необычные свойства. Астрономические наблюдения за карликовыми звездами в конечном итоге привели американских физиков Дж. Роберта Оппенгеймера и Х. Снайдера (1939) к постулированию сверхплотных состояний вещества. Эти и другие гипотетические условия гравитационного коллапса были подтверждены более поздними открытиями пульсаров, нейтронных звезд и черных дыр.
Последующая работа Эйнштейна (1917) применяет теорию общей относительности к космологии и фактически представляет собой рождение современной космологии. В ней Эйнштейн ищет модели всей Вселенной, которые удовлетворяют его уравнениям при подходящих предположениях о крупномасштабной структуре Вселенной, таких как ее «однородность», означающая, что пространство-время в любой части выглядит одинаково, как и любая другая часть. («космологический принцип»). При этих предположениях решения, казалось, подразумевали, что пространство-время либо расширяется, либо сжимается, и чтобы построить вселенную, которая не расширялась бы ни так, Эйнштейн добавил в свои уравнения дополнительный член, так называемую «космологическую постоянную». Когда позже наблюдательные данные показали, что Вселенная действительно расширяется, Эйнштейн отказался от участия в исследовании этого предложение. Однако более тщательный анализ расширения Вселенной в конце 1990-х годов еще раз привел астрономов к убеждению, что космологическая постоянная действительно должна быть включена в уравнения Эйнштейна.