Теоретическая физика: происхождение пространства и времени. Пространство и время в классической физике Что будем делать с полученным материалом
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
имени А.Г. и Н.Г. Столетовых»
Кафедра «АТБ»
по дисциплине
«Физика»
«Пространство и время в физике»
Выполнил:
ст. гр. ЗТСБвд-113 Т.В. Макарова
Принял: преподаватель
М.А. Антонова
Владимир 2013
Введение
2. Пространство и время
3. Пространство и время в теории относительности Альберта Эйнштейна
Заключение
Список литературы
Введение
С древнейших времен человечество всегда было очаровано понятиями Пространства (Небеса) и Времени (Начало, Изменение и Конец). Ранние мыслители, начиная от Гаутамы Будды, Лао Цзы и Аристотеля, активно обращались к этим понятиям. За столетия, содержание рассуждений этих мыслителей, выкристаллизовала в человеческом сознании те мысленные образы, которые мы теперь используем в нашей повседневной жизни. Мы думаем о пространстве, как о трехмерном континууме, окутывающем нас. Мы представляем время, как длительность любого процесса, никак не затронутая силами, действующими в физической вселенной. А вместе они образуют сцену, на которой развивается вся драма взаимодействий, актерами которой является все остальное - звезды и планеты, поля и материя, Вы и я.
Классическая физика рассматривала пространство как нечто абсолютное - вместилище объектов. Пространство полагалось бесконечным, линейным, непрерывным, а физическое пространство (область, которую составляют взаимодействующие материальные объекты) отождествлялось с математическим пространством дифференциальной геометрии. В теории относительности, которая появилась в начале 20 века, пространство уже не носит абсолютный характер, оно может изменяться, появляется понятие кривизны пространства, а при околосветовых скоростях, становятся возможны сокращения размеров объектов, но по-прежнему пространство представляет собой вместилище объектов. С появление теории систем появилось и новое понимание пространства как системы отношений между объектами. По мере развития системного подхода к познанию природы и развития техники, как практической деятельности по созданию технических систем, в науке развивается представление о дискретном пространстве-структуре. В современной физике пространство представляет собой математическую модель отношений между элементами структур, образованных материальными объектами. Выбор математической модели определяется структурой исследуемой системы и происходящими в ней процессами. Споры о том, сколько измерений имеет пространство, относятся к области математических моделей, это споры о том, какая модель более удобна и более наглядна. Так для описания движения твердых тел удобно использовать однородное непрерывное пространство дифференциальной геометрии не имеющее структуры (или имеющее однородную структуру). Это пространство имеет метрику (используются понятия расстояние, размер). А для описания движения потоков энергии в электрической цепи удобнее использовать дискретное пространство-структуру, состоящую из элементов электрической цепи и их связей (ветвей) - это область комбинаторной топологии (для одномерных ветвей - теория графов). Здесь пространство не имеет метрики (не применимы понятия расстояние, размер). Так как расстояние и структура создаются материей, то соответственно, без реальных объектов само по себе пространство не существует. Понятие пространства по отношению к понятиям "расстояние" (метрика) и "структура", является более высоким уровнем абстракции (обобщением) этих понятий. Измерение пространственных соотношений для метрического пространства производится методом сравнения расстояний с линейными размерами материальных объектов, выбранных в качестве эталона. Таким образом, осуществляется отображение физического пространства на математическую модель. Для человека ощущение пространства дает относительность масштабов, размеров (соотношение объекты/наблюдатель). Параметры околоземного пространства (магнитные и электрические поля, гравитация, термодинамические параметры) и происходящие в нем процессы для нас являются внешними условиями, так как мы погружены в эту среду. А мы, в свою очередь, как обособленные биосистемы, формируем внутри себя собственное пространство и собственную среду, где идут биохимические процессы, что и обеспечивает нашу жизнедеятельность. Наше внутреннее пространство и его параметры образуют внешние условия для объектов меньшего масштаба. Если и дальше продвигаться вниз по этой шкале, то внутримолекулярные условия являются внешними для атомов, внутриатомные - для ядер и электронов, входящих в атом, и т.д. Классическая физика рассматривала время - как нечто универсальное, независимое, то, относительно чего отсчитывают события и с помощью чего измеряют интервалы между событиями. Время полагалось непрерывным, равномерным, абсолютным, а физическое время (средство сравнения динамики материальных процессов) отождествлялось с математическим линейным одномерным пространством дифференциальной геометрии. В теории относительности, которая появилась в начале 20 века, время уже не носит абсолютный характер, оно может изменяться, предполагается, что в движущихся системах отсчета и вблизи тяготеющих масс время течет медленнее. В настоящее время в физике используют как непрерывное время процессов, так и дискретное время событий.
В современной физике время образуется из множества процессов с различной динамикой и представляет собой интегрированное свойство окружающего мира. Фактически ни процессы, ни изменения, ни движения, не происходят во времени. Наоборот, они сами служат реальной физической основой для введения понятия времени. Время оказывается лишь более высоким уровнем абстракции, характеризующее динамику этих явлений. Тут прослеживается полная аналогия с понятием пространства, которое базируется на понятии расстояния, и является лишь более высоким уровнем абстракции. Аналогично, понятие времени базируется на ходе реальных движений, процессов, изменений и является лишь более удобной формой абстракции. Измерение временных соотношений производится методом сравнения промежутков между реальными событиями с количеством циклов высокостабильных циклических процессов, выбранных в качестве эталона.
Таким образом, осуществляется отображение физического времени на математическую модель. Часы - это внутрисистемная динамика какой - либо системы, взятая в качестве эталона и служащая единицей динамичности, через которую выражается динамика и длительность других процессов.
1. Античная доктрина о пространстве и времени
пространство время эйнштейн микромир
Атомистическая доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрины, всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи (атомо), которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время. Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.
Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты. Множество атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один большой атом, исчерпывающий собой мир.
Сама же концепция была основана на атомах, которые в сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира. В основе этих атомов лежат амеры (пространственный минимум материи). Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениями современной физики о кварках.
Характеризуя систему Демокрита как теорию структурных уровней материи - физического (атомы и пустота) и математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя пространствами: непрерывное физическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах протяжения материи.
В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур рассматривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени. Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один "атом" пространства за один "атом" времени.
Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа пространства и времени. В их представлениях были реализованы
Аристотель начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель показывает, что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть и само движение. В такой модели времени реализована реляционная концепция. Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью.
В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.
Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней космоса Аристотеля. Его космологическая модель функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на земной и небесный уровни. Земной состоит из четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Эта модель просуществовала около двух тысячелетий. Однако в системе Аристотеля были и другие положения, которые оказались более жизнеспособными и во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени. Речь идёт о логическом учении Аристотеля на основе которого были разработаны первые научные теории, в частности геометрия Евклида. В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами встречаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые считались решёнными. В таком подходе представлена модель теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами. Геометрия Евклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов. Огромной заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории.
Галилео Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины мира как в эмпирическом, так и в теоретико-логическом плане. С помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были революционные представления Николая Коперника, который развил гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории Коперника можно считать открытия И.Кеплера: 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. Площадь сектора орбиты, описываемая радиус-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. 3. Квадраты времён обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.
Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания концепций пространства и инерции: у Галилея признаётся пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошёл до идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение.
Для Декарта не характерен осознанный и систематический учёт относительности движения. Его представления ограничены рамками геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления изменению. Для Ньютона же характерна динамическая трактовка массы, и в его системе это понятие сыграло основополагающую роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя, ибо это требуется неизменностью божества. То же самое достоверно для Ньютона вследствие массы тела.
Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают своё физическое содержание с помощью аксиом через законы движения. Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом: законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчёта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов.
После выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно развиваться, причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел.
2. Пространство и время в физике
Пространство и время в физике определяются в общем виде как фундаментальные структуры координации материальных объектов и их состояний: система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т. д.), образует пространство, а система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т. д.), образует время. Пространство и время являются организующими структурами различных уровней физического познания и играют важную роль в межуровневых взаимоотношениях. Они (или сопряжённые с ними конструкции) во многом определяют структуру (метрическую, топологическую и т. д.) фундаментальных физических теорий, задают структуру эмпирические интерпретации и верификации физических теорий, структуру операциональных процедур (в основе которых лежат фиксации пространственно-временных совпадений в измерит. актах, с учётом специфики используемых физ. взаимодействий), а также организуют физ. картины мира. К такому представлению вёл весь исторический путь концептуального развития
После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло в разрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.
Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 300"000 км/с. В 1728 году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника и/или приёмника.
О.Френель показал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона (1881 г.) полностью это опроверг.
Таким образом возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления всё хуже сводились к механике. Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла: свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности. Ареной этих законов является всё пространство, а не одни точки, в которых находится вещество или заряды, как это принимается для механических законов.
Так возникла электромагнитная теория материи. Физики пришли к выводу о существовании дискретных элементарных объектов в рамках электромагнитной картины мира (электронов). Основные достижения в области исследования электрических и оптических явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца. Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашёл выход, который спасал абсолютное пространство и время классической механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона, правда ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и ввести свои собственные, основанные на неинвариантности времени. t"=t-(vx/cэ), где v - скорость движения системы относительно эфира, а х - координата той точки в движущейся системе, в которой производится измерение времени. Время t" он назвал "локальным временем". На основе этой теории виден эффект изменения размеров тел L2/L1=1+(vэ/2cэ). Сам Лоренц объяснил это опираясь на свою электронную теорию: тела испытывают сокращение вследствие сплющивания электронов.
Теория Лоренца исчерпала возможности классической физики. Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчёта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени. Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна.
3. Пространство и время в теории относительности Альберта Эйнштейна.
В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира. Отрицательные результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики.
Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: " Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной ". Возникает необходимость развить теорию преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Эйнштейн пришел к формулировке преобразований Лоренца:
Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяжённости и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчёта:
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. Введение Минковским четырёхмерного формализма помогло выявить аспекты "абсолютного мира", заданного в пространственно - временном континууме.
В теории относительности, как и в классической механике, существуют два типа пространства и времени, которые реализуют субстанциальную и атрибутивную концепции. В классической механике абсолютные пространство и время выступали в качестве структуры мира на теоретическом уровне. В специальной теории относительности аналогичным статусом обладает единое четырёхмерное пространство - время.
Переход от классической механики к специальной теории относительности можно представить так: 1) на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству - времени, 2) на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени Эйнштейна.
Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчёта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект.
Новая теория - общая теория относительности - строилась путём построения обобщённого пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщённой теории с последующей её эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.
Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчёта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым. Речь идет о следующем положении специальной теории относительности: "...двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определённой длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определённой величины, независимо от места и времени".
Следует отметить, что в общей теории относительности находит наиболее полное воплощение представление диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи. Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.
Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжёлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации. Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности: " физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением".
Принцип эквивалентности носит локальный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности. Он помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме них Эйнштейн выдвинул ряд математических гипотез, без которых невозможно было бы вывести гравитационные уравнения: пространство четырёхмерно, его структура определяется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат.
В работе "Относительность и проблема пространства" Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности. Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное "тому, что заполняет пространство" и что зависит от координат. "Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля".
Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам.
Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей теории относительности: геометризацию гравитации и релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.
Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской геометрии. Однако данное направление не привело к успеху. Были попытки ввести пространства более высокой размерности, чем четырёхмерное пространственно-временное многообразие Римана: Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын - бесконечное многообразие. Однако таким путём решить проблему не удавалось.
На пути пересмотра евклидовой топологии пространства - времени строится современная единая теория поля - квантовая геометродинамика Дж. Уитлера. В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводится понятие суперпространства, как арены действия геометродинамики. При таком подходе каждому взаимодействию соответствует своя геометрия, и единство этих теорий заключается в существовании общего принципа, по которому порождаются данные геометрии и "расслаиваются" соответствующие пространства.
Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещё более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные частицы в их единстве и гармонии. Доэйнштейновские представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом: Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени. Они были заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру Евклидово. Такая модель казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам.
Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия. Таких положений в классической космологии четыре: стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.
Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной. Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к признанию её однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.
Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.
Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввёл в уравнения теории новый член с помощью которого во Вселенную вводились новые силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.
Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра. Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время.
В связи с этим встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние "разбегание галактик" - наглядное обозначение раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики. Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Вторая проблема связана с представлением о начале времени. Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t=0, когда произошёл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбург считает, что "...Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии, которое отвечает началу времени, понятие времени до этого начала лишено физического, да и любого другого смысла".
В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчёта. Это положение особо чётко отразилось в представлениях о "чёрных дырах". Речь идет об одном из наиболее интересных явлений современной космологии - гравитационном коллапсе.
С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают: "Расширение Вселенной во многих отношениях подобно коллапсу звезды, если не считать того, что направление времени при расширении обратное".
Как "начало" Вселенной, так и процессы в "чёрных дырах" связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда (условная сфера с радиусом r = 2GM/cэ, где G - гравитационная постоянная, М - масса). Независимо от того, в каком состоянии космический объект пересёк соответствующую сферу Шварцшильда, далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного коллапса. После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время: звезда потухает для удалённого наблюдателя, и в пространстве образуется "чёрная дыра".
Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится за бесконечностью во времени.
Таким образом, оказалось, что пространство - время в общей теории относительности содержит сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть концепцию пространственно - временного континуума как некоего дифференцируемого "гладкого" многообразия.
Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку
(r->0), когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Это вызывает обоснованное сомнение. Дж. Уитлер считает, что в заключительной стадии гравитацинного коллапса вообще не существует пространства - времени. С. Хокинг пишет: "Сингулярность - это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства - времени. Этих представлений придерживаются большинство современных космологов.
На заключительных стадиях гравитационного коллапса вблизи сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они должны играть на этом уровне доминирующую роль и могут вообще не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области происходят субмикроскопические флуктуации материи, которые и составляют основу глубокого микромира.
Всё это свидетельствует о том, что понять мегамир невозможно без понимания микромира.
4. Пространство и время в физике микромира
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. 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 корпускулярно - волновом дуализме. Реальная природа света может быть представлена как диалектическое единство волны и частиц.
Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было предложено множеств о 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 поглощается 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 частотам 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 оказываются 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 поглощающихся 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. Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой её плотностью. Минимум её оказался равным уровню осциллятора hv/2. "Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны, - пишет Я. Зельдович, - мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии". Эта бесконечная энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности, которые ещё предстоит освоить физике.
Продвигаясь вглубь материи, учёные перешагнули рубеж 10 см. и начали исследовать физические процессы в области субатомных пространственно - временных отношений. На этом уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц. Здесь иные пространственно - временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого. Ещё более радикальных изменений пространственно - временных представлений требует переход к исследованию процессов, характерных для слабых взаимодействий. Поэтому на повестку дня встаёт вопрос о нарушении пространственной и временной чётности, т.е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными.
В этих условиях были предприняты различные попытки принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно направление связано с изменением представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе - с гипотезой о возможной макроскопической природе пространства и времени. Рассмотрим более подробно эти направления.
Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства и времени.
После создания теории относительности и квантовой механики учёные попытались объединить эти две фундаментальные теории. Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое уравнение для электрона. Был получен неожиданный вывод о существовании антипода электрона - частицы с противоположным электрическим зарядом. В настоящее время известно, что каждой частице в природе соответствует античастица, это обусловлено фундаментальными положениями современной теории и связано с кардинальными свойствами пространства и времени (чётность пространства, отражение времени и т.д.).
Исторически первой квантовой теорией поля была квантовая электродинамика, включающая в себя описание взаимодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого уровня развития и известной завершённости. Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно - временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечёт за собой существенные трудности, связанные с бесконечными значениями некоторых величин (масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д.).
Эти трудности учёные пытались преодолеть путём введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени. Такой подход намечает единственный выход из неопределённости бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину - основу атомистического пространства.
Позже была построена обобщённая квантовая электродинамика, которая также является локальной теорией, описывающей точечные взаимодействия точечных частиц, что приводит к существенным трудностям. Например, наличие электромагнитного и электронно-позитронного вакуума обуславливает необходимость внутренней сложности, структурности электрона. Электрон поляризует вакуум, и флуктуации последнего создают вокруг электрона атмосферу из виртуальной электронно - позитронной пары.
При этом вполне вероятен процесс аннигиляции исходного электрона с позитроном пары. Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но в другой точке пространства. Подобная специфика объектов квантовой электродинамики является веским аргументом в пользу концепции пространственно - временной дискретности. В её основе лежит идея о том, что масса и заряд электрона находятся в разных физических полях, отличны от массы и заряда идеализированного (изолированного от мира) электрона. Разность между массами оказывается бесконечной. При оперировании этими бесконечностями их можно выразить через физические константы - заряд и массу реального электрона. Это достигается путём перенормировки теории.
Что касается теории сильных взаимодействий, то там процедуру перенормировки использовать не удаётся. В связи с этим в физике микромира широкое развитие получило направление, связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя методами. При первом исходят из положения. что понятие локального взаимодействия лишено смысла. Второй основан на отрицании понятия точечной координаты пространства - времени, что приводит к теории квантового пространства - времени. Протяжённая элементарная частица обладает сложной динамической структурой. Подобная сложная структура микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учёные столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики элементарного и сложного в микромире. Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле: они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами. В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного. Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечёт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения "раньше" и "позже". В области нелокального взаимодействия события связаны в некий "комок", в котором они взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.
Таково принципиальное положение дел, сложившееся в развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенберга и кончая современными нелокальными и нелинейными теориями, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени на области "малые", где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в нелокальной теории новой константы размерности длины - элементарной длины. С этим "атомом" пространства связан и элементарный момент времени (хронон), и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц.
Теория дискретного пространства - времени продолжает развиваться. Открытым остаётся вопрос о внутренней структуре "атомов" пространства и времени. Существует ли пространство и время в "атомах" пространства и времени? Это одна из версий гипотезы о возможной макроскопичности пространства и времени, которая будет рассмотрена ниже.
Заключение
Взаимосвязь свойств симметрии пространства и времени с законами сохранения физических величин была установлена ещё в классической физике. Закон сохранения импульса оказался тесно связанным с однородностью пространства, закон сохранения энергии - с однородностью времени, закон сохранения момента количества движения - с изотропностью пространства. В специальной теории относительности эта связь обобщается на четырёхмерное пространство-время. Общерелятивистское обобщение последовательно провести пока не удалось.
Серьёзные трудности возникли также при попытке использовать выработанные в классической (в т. ч. релятивистской), т. е. неквантовой, физике понятия пространства и времени для теории описания явлений в микромире. Уже в нерелятивистской квантовой механике оказалось невозможным говорить о траекториях микрочастиц, и применимость понятий пространства и времени к теории описанию микрообъектов была ограничена дополнительно принципом (или неопределённостей соотношением). С принципиальными трудностями встречается экстраполяция макроскопических понятий пространства и времени на микромир в квантовой теории поля (расходимости, отсутствие объединения унитарной симметрии с пространственно-временными, теоремы Уайтмана и Хаага). С целью преодоления этих трудностей был выдвинут ряд предложений по модификации смысла понятий пространства и времени - квантование пространства-времени, изменение сигнатуры метрики пространства и времени, увеличение размерности пространства и времени, учёт его топологии (геометродинамика) и др. Наиболее радикальной попыткой преодоления трудностей релятивистской квантовой теории является гипотеза о неприменимости понятий пространства и времени к микромиру. Аналогичные соображения высказываются также в связи с попытками осмысления природы начала сингулярности в модели расширяющейся горячей Вселенной. Большинство физиков, однако, убеждены в универсальности пространства-времени признавая необходимость существенные изменения смысла понятий пространства и времени
Общность же пространства-времени заключается в том, что они оба связаны с процессами в системе, если характер процессов и внутренняя структура определяют само пространство и его параметры, то динамика внутренних процессов создают эффект времени. Как видим, пространство и время представляют собой лишь разные средства описания одного и того же явления - процессов. Понимая систему как структуру связанных элементов и процессов, протекающих в этой структуре можно сказать, что связи между элементами образуют пути, а процессы, протекающие в этих путях, представляют собой потоки вещества и энергии. При этом элементы системы и связи между ними образуют пространство системы, а динамика потоков вещества и энергии представляет собой время системы. Так для электрической цепи пространство-структура (узлы, контуры, ветви) описывается законами Кирхгофа, а процессы в ветвях описываются законом Ома и его обобщениями. При этом теория расчетов электрических цепей рассматривает одновременно и уравнения процессов и уравнения структуры. Эти уравнения и представляют собой пространство-время, как математическую модель процессов в электрической цепи.
Список литературы
1.Физический энциклопедический словарь - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983;
2. Потёмкин В.К., Симанов А.Л. Пространство в структуре мира, Новосибирск: Наука,-1990;
3. Владимиров Ю. С., Пространство-время: явные и скрытые размерности, М., 1989;
4. Кузнецов В.М. Концепции мироздания в современной физике: учебное пособие для вузов -М: Академия, 2006;
5. Детлаф А.А. Курс физики: учебное пособие для вузов/Детлаф А.А., Яворский Б.М. -М. Академия, 2007.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Развитие представлений о пространстве и времени, их общие свойства. Необратимость времени как проявление асимметрии, асимметрия причинно-следственных отношений. Гипотезы Н.А. Козырева о новых свойствах времени. Теория N–мерности пространства и времени.
контрольная работа , добавлен 05.10.2009
Преобразования Лоренца и основные следствия из них. Четырехмерное пространство Эйнштейна. Расстояние между точками трехмерного пространства. Интервал между двумя событиями. Промежуток собственного времени. События, разделенные вещественным интервалом.
лекция , добавлен 28.06.2013
Положения теории относительности. Релятивистское сокращение длин и промежутков времени. Инертная масса тела. Причинно-следственные связи, пространственно-временной интервал между событиями. Единство пространства и времени. Эквивалентность массы и энергии.
контрольная работа , добавлен 16.12.2011
Физическая теория материи, многомерные модели Вселенной. Физические следствия, вытекающие из теории многомерных пространств. Геометрия Вселенной, свойства пространства и времени, теория большого взрыва. Многомерные пространства микромира и Вселенной.
курсовая работа , добавлен 27.09.2009
Развитие представления о пространстве и времени. Парадигма научной фантастики. Принцип относительности и законы сохранения. Абсолютность скорости света. Парадокс замкнутых мировых линий. Замедление хода времени в зависимости от скорости движения.
реферат , добавлен 10.05.2009
Исследование представлений о времени древних людей и открытий, связанных со временем. Характеристика понятия времени в классической и релятивистской физике. Анализ гипотез о перемещении человека или другого объекта из настоящего в прошлое или будущее.
презентация , добавлен 06.06.2012
Время-объект физического исследования. Время и движение, машина времени. Время и тяготение. Черные дыры: время остановилось. Время осуществляет связь между всеми явлениями Природы. Время обладает разнообразными свойствами, которые можно изучить опытами.
реферат , добавлен 08.05.2003
Преобразования Галилея и Лоренца. Создание специальной теории относительности. Обоснование постулатов Эйнштейна и элементов релятивистской динамики. Принцип равенства гравитационной и инертной масс. Пространство-время ОТО и концепция эквивалентности.
презентация , добавлен 27.02.2012
Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.
статья , добавлен 22.06.2015
Четырехмерное пространство-время. Уравнения Максвелла в пустоте. Пространственные углы Эйлера. Формула опускания индекса контравариантного вектора. Основные законы преобразования тензоров на четырехмерном многообразии. Расстояния между событиями.
Пространство и время в физике определяются в общем виде как фундаментальные структуры координации материальных объектов и их состояний: система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т. д.), образует пространство, а система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т. д.), образует время. Пространство и время являются организующими структурами различных уровней физического познания и играют важную роль в межуровневых взаимоотношениях. Они (или сопряжённые с ними конструкции) во многом определяют структуру (метрическую, топологическую и т. д.) фундаментальных физических теорий, задают структуру эмпирические интерпретации и верификации физических теорий, структуру операциональных процедур (в основе которых лежат фиксации пространственно-временных совпадений в измерит. актах, с учётом специфики используемых физ. взаимодействий), а также организуют физ. картины мира. К такому представлению вёл весь исторический путь концептуального развития
После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло в разрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.
Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 300"000 км/с. В 1728 году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника и/или приёмника.
О.Френель показал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона (1881 г.) полностью это опроверг.
Таким образом возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления всё хуже сводились к механике. Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла: свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности. Ареной этих законов является всё пространство, а не одни точки, в которых находится вещество или заряды, как это принимается для механических законов.
Так возникла электромагнитная теория материи. Физики пришли к выводу о существовании дискретных элементарных объектов в рамках электромагнитной картины мира (электронов). Основные достижения в области исследования электрических и оптических явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца. Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашёл выход, который спасал абсолютное пространство и время классической механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона, правда ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и ввести свои собственные, основанные на неинвариантности времени. t"=t-(vx/cэ), где v - скорость движения системы относительно эфира, а х - координата той точки в движущейся системе, в которой производится измерение времени. Время t" он назвал "локальным временем". На основе этой теории виден эффект изменения размеров тел L2/L1=1+(vэ/2cэ). Сам Лоренц объяснил это опираясь на свою электронную теорию: тела испытывают сокращение вследствие сплющивания электронов.
Теория Лоренца исчерпала возможности классической физики. Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчёта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени. Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна.
Понятия пространства и времени, выработанные в классической физике, являются результатом теоретического анализа механического движения.
В главной работе И.Ньютона «Математические начала натуральной философии», изданной в 1687 г., были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства и времени.
Понятия «пространство» и «время» были определены И. Ньютоном в строгом соответствии с той методологической установкой, которая была принята формирующейся опытной наукой Нового Времени, а именно, познание сущности (законов природы) через явления. Он писал: «Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятия обыкновенно относят к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведённые понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные».
Ньютон чётко различал два типа времени и пространства – абсолютное и относительное, и дал им следующие определения:
«Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
«Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.
«Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.
«Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное».
Чем вызвано это различение?
Прежде всего, оно связано с особенностями теоретического и эмпирического уровней познания пространства и времени.
На теоретическом уровне пространство и время представляют собой идеализированные объекты, у которых выделяется только одна характеристика: для времени – быть «чистой длительностью», а для пространства быть «чистой протяженностью».
На эмпирическом уровне пространство и время предстают как относительные, то есть, связанные с конкретными физическими процессами и их восприятием на уровне чувств.
Таким образом, и для времени, и для пространства термин «относительный» использовался в смысле «измеряемая величина» (постигаемая нашими чувствами), а «абсолютный» - в смысле «математическая модель».
Почему Ньютон ввел разграничение теоретического и эмпирического смысла этих понятий?
Соотношение между понятиями абсолютного и относительного времени и необходимость в них ясно видна из следующего пояснения.
Время, как известно, можно измерить при помощи равномерного периодического процесса. Однако, мы знаем, что процессы равномерны? Очевидны логические трудности в определении подобных первичных понятий.
Другая трудность связана с тем, что два одинаково равномерных на данном уровне точности процесса могут оказаться относительно неравномерными при более точном измерении. И мы постоянно оказываемся перед необходимостью выбора все более надежного эталона равномерности хода времени.
Абсолютное время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные сутки, принимаемые при обыденном измерении времени как равные, на самом деле между собою неравны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенною точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может.
Таким образом, относительное время Ньютона есть время измеряемое, тогда как время абсолютное есть его математическая модель со свойствами, выводимыми из относительного времени при помощи абстрагирования.
Перейдём к понятию абсолютного пространства.
Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г.Галилеем и окончательно сформулированный в механике Ньютоном.
Отцом принципа относительности считается Галилео Галилей, который обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. Во времена Галилея люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом: для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует, и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.
Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона, который дал научную формулировку принципа относительности: относительные движения тел друг по отношению к другу, заключенные в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Другими словами, согласно принципу относительности Галилея, законы механики инвариантны, то есть остаются неизменными при тех или иных преобразованиях относительно инерциальных систем отсчёта. Переход от одной инерциальной системы отсчёта к другой осуществляется на основе так называемых преобразований Галилея, где х, у и z означают координаты тела, v – скорость, а t – время:
Смысл принципа относительности заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчёта законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.
В период создания механики перед Ньютоном неизбежно вставал вопрос: а существуют ли вообще инерциальные системы? Если существует хотя бы одна такая система, то может существовать бесчисленное их множество, ибо любая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной, тоже будет инерциальной. Совершенно очевидно, что в природе инерциальных систем отсчёта нет. На Земле с достаточной степенью точности соблюдается принцип инерции, и тем не менее Земля - система неинерциальная: она вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Не может быть инерциальной и система, связанная с Солнцем, ибо Солнце вращается вокруг центра Галактики. Но если, ни одна реальная система отсчета не является строго инерциальной, то не оказываются ли фикцией основные законы механики?
Поиски ответа на этот вопрос привели к понятию абсолютного пространства. Оно представлялось совершенно неподвижным, а связанная с ним система отсчета - инерциальной. Предполагалось, что по отношению к абсолютному пространству законы механики выполняются строгим образом.
В преобразованиях Галилея отражены основные свойства пространства и времени, как они понимались в классической механике.
Каковы же эти свойства?
1. Пространство и время существуют как самостоятельные сущности, не связанные друг с другом.
Пространственные и временные координаты входят в уравнения неравноправным образом. Пространственная координата в движущейся системе зависит и от пространственной и от временной координаты в неподвижной системе (х"= х – vt). Временная же координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными координатами (t" = t).
Таким образом, время мыслится как нечто совершенно самостоятельное по отношению к пространству.
2. Абсолютность пространства и времени, то есть абсолютный характер длины и временных интервалов, а также абсолютный характер одновременности событий.
Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и расстояние между двумя событиями во времени (промежуток). В преобразованиях Галилея зафиксирован абсолютный характер длины и промежутка. В отношении временного промежутка это непосредственно видно из уравнения t" = t. Время не зависит от системы отсчета, оно одно и то же во всех системах, везде и всюду течет совершенно равномерно и одинаково.
Таким образом, во всех инерциальных системах отсчёта равномерно течёт единое непрерывное абсолютное время и осуществляется абсолютный синхронизм (т. е. одновременность событий не зависит от системы отсчёта, она абсолютна), основой которого могли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы - эта роль в системе Ньютона отводилась тяготению (закон всемирного тяготения). Однако статус дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальной природой пространства и времени в рамках механистической картины мира.
В классической механике Ньютона пространство вводится посредством евклидовой трехмерной геометрии. В силу этого оно непрерывно, упорядочено, трехмерно, бесконечно, безгранично - это трехмерный континуум точек.
Ньютоновская концепция пространства и времени и принцип относительности Галилея, на основе которых строилась физическая картина мира, господствовали вплоть до конца XIX в.
Мурманский Государственный педагогический институт Физико-математический факультет Кафедра физики по теме II Гнатюк Мурманск 7 Диалектический материализм исходит из того, что в мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181 Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными формами существования материи.Классическая физика рассматривала пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических объектов.
Однако развитие неклассической физики физики элементарных частиц, квантовой физики и др. выдвинуло новые представления о пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно связаны между собой. Возникли разные концепции согласно одним, в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного пространства, а физические объекты являются только проявлениями этого пространства.Согласно другим, пространство и время присущи лишь макроскопическим объектам.
Как видно, современная физика настолько разрослась и потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо противоположные утверждения о природе и статусе пространства и времени. Этот факт требует тщательного исследования, так как может показаться, что представления современной физики противоречат фундаментальным положениям диалектического материализма.Правда, следует отметить, что в современной физике речь идет о пространстве и времени как о физических понятиях, как о конкретных математических структурах, наделенных соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациями в рамках оределнных теорий, и что выяснение макроскопичности подобных структур не имеет прямого отношения к положению диалектического материализма об универсальности пространства и времени, так как в этом речь идет уже о философских категориях.
Начинать исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных представлений вплоть до наших дней. 1 Аристотеля. Атомистическая доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом.
Согласно этой доктрины, вс природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи атомов, которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве.Атомы бытие и пустота небытие являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности времени.
Атомы двигаются в пустоте бесконечное время. Бесконечному пространству соответствует бесконечное время. Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты.Множество атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один большой атом, исчерпывающий собой мир. Сама же концепция была основана на атомах, которые в сочетании с пустотой образуют вс содержание реального мира. В основе этих атомов лежат амеры пространственный минимум материи.
Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениями современной физики о кварках.Характеризуя систему Демокрита как теотию структурных уровней материи - физического атомы и пустота и математического амеры, мы сталкиваемся с двумя пространствами непрерывное физическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах протяжения материи.
В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур рассмотривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени.Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один атом пространства за один атом времени.
Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа пространства и времени. В их представлениях были реализованы 4 субстанциальная и атрибутивная концепции. Аристотель начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени.Дальнейший анализ времени ведтся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения.
Аристотель показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть и само движение. В такой модели времени реализована реляционная концепция. Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью.В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.
Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней космоса Аристотеля.Его космологическая модель функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на земной и небесный уровни.
Земной состоит из четырх стихий - земли, воды, воздуха и огня небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Эта модель просуществовала около двух тысячелетий. Однако в системе Аристотеля были и другие положения, которые оказались более жизнеспособными и во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени.Речь идт о логическом учении Аристотеля на основе которого были разработаны первые научные теории, в частности геометрия Евклида.
В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами встечаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые считались решнными. В таком подходе представлена модель теории, которая работает и сегодня аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами.Геометрия Евклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов.
Огромной заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории тврдого тела и световых лучей. Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины мира как в эмпирическом, так и в теоретико- логическом плане.С помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были революционные представления Н. Коперника, который развил гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории Коперника можно считать открытия И.Кеплера 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. 3. Квадраты времн обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.
Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания концепций пространства и инерции у Галилея признатся пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошл до идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение. Для Декарта не характерен осознанный и систематический учт относительности движения.
Его представления ограничены рамками геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления изменению.Для Ньютона же характерна динамическая трактовка массы, и в его системе это понятие сыграло основопологающую роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя, ибо это требуется неизменностью божества. То же самое достоверно для Ньютона вследствие массы тела. Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают сво физическое содержание с помощью аксиом через законы движения.
Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени.
У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов. После выхода в свет Начал Ньютона физика начала активно развиваться, причм этот процесс происходил на основе механистического подхода.Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется.
Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной тврдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло в разрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.Революция в физике началась открытием Рмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 30 кмс. В 1728 году Брэдри открыл явление звздной аберрации.
На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника иили примника. О.Френель показал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона 1881г. полностью это опроверг. Таким образом возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления вс хуже сводились к механике.Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности. Ареной этих законов является вс пространство, а не одни точки, в которых находится вещество или заряды, как это принимается для механических законов.
Так возникла электромагнитная теория материи.Физики пришли к выводу о существовании дискретных элементарных объектов в рамках электромагнитной картины мира электронов.
Основные достижения в области исследования электрических и оптических явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца.Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашл выход, который спасал абсолютное пространство и время классической механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона, правда ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и ввести свои собственные, основанные на неинвариантности времени. tt-vxc2, где v - скорость движения системы относительно эфира, а х - координата той точки в движущейся системе, в которой производится измерение времени.
Время t он назвал локальным временем. На основе этой теории виден эффект изменения размеров тел L2L11v22c2. Сам Лоренц объяснил это опираясь на свою электронную теорию тела испытывают сокращение вследствие сплющивания электронов. Терия Лоренца исчерпала возможности классической физики.Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени.
Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна. 3 2.1. Специальная теория относительности. В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира.Отрицательные результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики.
Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной. Возникает необходимость развить теорию преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой.
Эйнштейн пришел к формулировке преобразований Лоренца где x, y, z, t - координаты в одной системе, x, y, z, t - в другой.
Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяжнности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчта 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 внс Г. Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырхмерного 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. Введение Минковским четырхмерного формализма помогло выявить аспекты абсолютного мира, заданного в пространственно - временном континууме.В теории относительности, как и в классической механике, существуют два типа пространства и времени, которые реализуют субстанциальную и атрибутивную концепции.
В классической механике абсолютные пространство и время выступали в качестве структуры мира на теоретическом уровне. В специальной теории относительности аналогичным статусом обладает единое четырхмерное пространство - время.Переход от классической механики к специальной теории относительности можно представить так 1 на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству - времени, 2 на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени Эйнштейна.
Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект.
Новая теория - общая теория относительности - строилась путм построения обобщнного пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщнной теории с последующей е эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии.
Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым.Речь идет о следующем положении специальной теории относительности двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определнной длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени.
Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определнной величины, независимо от места и времени.Следует отметить, что в общей теории относительности находит наиболее полное воплощение представление диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи.
Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации.
Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порожднного равноускоренным движением. Принцип эквивалентности носит локольный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности.Он помог сформулировать основные принципы, на котрых базируется новая теория гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.
Кроме них Эйнштейн выдвинул ряд матаматических гипотез, без которых невозможно было бы вывести гравитационные уравнения пространство четырхмерно, его структура опрелеляется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат. В работе Относительность и проблема пространства Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности.Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное тому, что заполняет пространство и что зависит от координат.
Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля. Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам.Теория предсказала и объяснила три общелелятивистских эффекта были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий. Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей теории относительности геометризацию гравитации и релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.
Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской геометрии. Однако данное направление не привело к успеху.
Были попытки ввести пространства более высокой размерности. чем четырхмерное пространственно-временное многообразие Римана Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын - бесконечное многообразие. Однако таким путм решить проблему не удавалось.На пути пересмотра евклидовой топологии пространства - времени строится современная единая теория поля - квантовая геометродинамика Дж. Уитлера.
В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводится понятие суперпространства, как арены действия геометродинамики.При таком подходе каждому взаимодействию соответствует своя геометрия, и единство этих теорий заключается в существовании общего принципа, по которому порожнаются данные геометрии и расслаиваются соответствующие пространства.
Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещ более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные частицы в их единстве и гармонии. Доэйнштейновские представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени.Они были заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру Евклидово.
Такая модель казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия.Таких положений в классической космологии четыре стационарность Вселенной, е однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.
Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырхмерного пространства - времени.Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной.
Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведт к признанию е однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну.В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.
Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала е бесконечность.Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.
Вселенная Эйнштейна представляет собой трхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться.Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввл в уравнения теории новый член с помощью которого во Вселенную вводились новые силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.
Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная расширяется.Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра.
Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V HL, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Всвязи с этим встают две важные проблемы проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние разбегание галактик - наглядное обозначение раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики.Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Вторая проблема связана с представлением о начале времени.
Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t0, когда произошл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбург считает, что Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии, которое отвечает началу времени, понятие времени до этого начала лишено физического, да и любого другого смысла.В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчта.
Это положение особо чтко отразилось в представлениях о чрных дырах. Речь идет об одном из наиболее интересных явлений современной космологии - гравитационном коллапсе. С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают Расширение Вселенной во многих отношениях подобно коллапсу звезды, если не считать того, что направление времени при расширении обратное.Как начало Вселенной, так и процессы в чрных дырах связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда условная сфера с радиусом r 2GMc2, где G - гравитационная постоянная, М - масса.
Независимо от того, в каком состоянии космический объект переск соответствующую сферу Шварцшильда, далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного коллапса.После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время звезда потухает для удалнного наблюдателя, и в пространстве образуется чрная дыра. Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится за бесконечностью во времени.
Таким образом, оказалось, что пространство - время в общей теории относительности содержит сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть концепцию пространственно - временного континуума как некоего дифференцируемого гладкого многообразия.Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку r - 0, когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Это вызывает обоснованное сомнение.
Дж. Уитлер считает, что в заключительной стадии гравитацинного коллапса вообще не существует пространства - времени. С. Хокинг пишет Сингулярность - это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства - времени.
Этих представлений придерживаются большинство современных космологов. На заключительных стадиях гравитационного коллапса вблизи сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они должны играть на этом уровне доминирующую роль и могут вообще не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области происходят субмикроскопические флуктуации материи, которые и составляют основу глубокого микромира.Вс это свидетельствует о том, что понять мегамир невозможно без понимания микромира. 4. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА. Пространственно-временные представления квантовой механики.
Создание Эйнштейном специальной теории относительности не исчерпывает возможноси 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 звзд 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 где 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 множеств о противоречащих друг другу моделей.Выход был найден Н. Бором путм 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 частоцам 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 неопределнностей Гейзенберга чем больше неопределнность пространственной координаты, тем меньше неопределнность 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 приближнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование принципиальной неопределнности 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 ещ не создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещ 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 1уровень молекулярно - атомных явлений, 2 уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов, 3 уровень элементарных частиц, 4уровень 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.Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой е плотностью.
Минимум е оказался равным уровню осциллятора hv2. Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны пишет Я. Зельдович мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии. Эта бесконечная энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности, которые ещ предстоит освоить физике.Продвигаясь вглубь материи, учные перешагнули рубеж 10 см. и начали исследовать физические процессы в области субатомных пространственно - временных отношений. На этом уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц.
Здесь иные пространственно - временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого.Ещ более радикальных изменений пространственно - временных представлений требует переход к исследованию процессов, характерных для слабых взаимодействий.
Поэтому на повестку дня встат вопрос о нарушении пространственной и временной чтности, т.е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными. В этих условиях были предприняты различные попытки принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно направление связано с изменением представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе - с гипотезой о возможной макроскопической природе пространсва и времени.Рассмотрим более подробно эти направления.
Прерывность и непрерывность пространства и времени в физике микромира. Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства и времени. После создания теории относительности и квантовой механики учные попытались объединить эти две фундаментальные теории.Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое уравнение для электрона.
Был получен неожиданный вывод о существовании антипода электрона - частицы с противоположным электрическим зарядом.В настоящее время известно, что каждой частице в природе соответствует античастица, это обусловлено фундаментальными положениями современной теории и связано с кардинальными свойствами пространства и времени чтность пространства, отражение времени и т.д Исторически первой квантовой теорией поля была квантовая электродинамика, включающая в себя описание взамодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого уровня развития и известной завершнности.
Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно - временной непрерывности точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечт за собой существенные трудности, связанные с бесконечными значениями некоторых величин масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д Эти трудности учные пытались преодалеть путм введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени.
Такой подход намечает единственный выход из неопределнности бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину - основу атомистического пространства.Позже была построена обобщнная квантовая электродинамика, которая также является локальной теорией, описывающей точечные взаимодействия точечных частиц, что приводит к существенным трудностям. Например, наличие электромагнитного и электронно - позитронного вакуума обуславливает небходимость внутренней сложности, структурности электрона.
Электрон поляризует вакуум, и флуктуации последнего создают вокруг электрона атмосферу из виртуальной электронно - позитронной пары. При этом вполне вероятен процесс аннигиляции исходного электрона с позитроном пары. Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но в другой точке пространства. Подобная специфика объектов квантовой электродинамики является веским аргументом в пользу концепции пространственно - временной дискретности.
В е основе лежит идея о том, что масса и заряд электрона находятся в разных физических полях, отличны от массы и заряда идеализированного изолированного от мира электрона. Разность между массами оказывается бесконечной.При оперировании этими бесконечностями их можно выразить через физические константы - заряд и массу реального электрона. Это достигается путм перенормировки теории.
Что касается теории сильных взаимодействий, то там процедуру перенормировки использовать не удатся. Всвязи с этим в физике микромира широкое развитие получило направление, связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя методами. При первом исходят из положения. что понятие локального взаимодействия лишено смысла.Второй основан на отрицании понятия точечной координаты пространства - времени, что приводит к теории квантового пространства - времени.
Протяжнная элементарная частица обладает сложной динамической структурой. Подобная сложная структура микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учные столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики элементарного и сложного в микромире.Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами.
В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного. Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения раньше и позже.В области нелокального взаимодействия события связаны в некий комок, в котором они взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.
Таково принципиальное положение дел, сложившееся в развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенберга и кончая современными нелокальными и нелинейными теориями, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени на области малые, где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в нелокальной теории новой константы размерности длины - элементарной длины.
С этим атомом пространства связан и элементарный момент времени хронон, и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц. Теория дискретного пространства - времени продолжает развиваться. Открытым остатся вопрос о внутренней структуре атомов пространства и времени.Существует ли пространство и время в атомах пространства и времени Это одна из версий гипотезы о возможной макроскопичности пространства и времени, которая будет рассмотрена ниже. Проблема микроскопичности пространства и времени в микромире.
В современной физике микромира возникла следующая проблема речь стала идти не об изменении свойств или структуры пространства и времени, а об их макроскопической природе, т.е. о том, что их вообще возможно нет в микромире.Такая постановка вопроса связана с созданием квантовой механики. Что касается сфер приложимости гипотезы, то е сторонники разошлись во мнениях одни считают, что она имеет отношение лишь к теоретическому описанию объективной реальности в квантовой физике, другие расширили е уровня философского положения о неуниверсальности пространства и времени как форм существования движущейся материи.
В ньютоновской механике теоретическое и эмпирическое пространство и время во многом совпадали. С развитием физики это совпадение нарушается.В связи с этим возникает вопрос должна ли эмпирическая структура физической теории выступать обязательно в форме пространства и времени классической физики Гейзенберг следующим образом описывает создавшуюся в физике микромира ситуацию Оказывается, в наших исследованиях атомных процессов неизбежно существует своеобразное раздвоение.
С одной стороны, вопросы, с которыми мы обращаемся к природе посредством экспериментов, всегда формулируются в понятиях классической физики, в особенности в понятиях пространства и времени, поскольку наш язык приспособлен к передаче только обыденного нашего окружения и поскольку опыты мы не можем провести иначе, как только во времени и в пространстве.
С другой стороны, математические выражения, пригодные для изображения экспериментальных результатов, представляют собой волновые функции в многомерных конфигурационных пространствах, не допускающих какой-либо простой наглядной интерпретации. Из этого положения можно сделать вывод, что пространство и время классической физики являются эмпирической структурой квантовой механики.Так в чм же суть рассматриваемой гипотезы Эмпирическая структура физической теории заведомо макроскопична.
Теоретическая структура при описании микромира выступает как пространство и время.Пространство и время можно использовать при развитии физических теорий, описывающих другие уровни строения материи, но это сопряжено с неоправданным усложнением теории, и поэтому от них отказываются. Речь идт о макроскопичности пространства и времени, которые выступают в качестве теоретических структур физических теорий.
В заключении рассмотрим гипотезу о макроскопической природе пространства и времени с точки зрения диалектико - материалистического учения об их универсальности. Речь едт о пространстве и времени как категориях современной физики, которые являются специфическими метрическими структурами сосуществования данных явлений и смены конкретных состояниий, что предполагает возможность различия двух соседних точек и двух последующих моментов.Свойства соседства и следования являются конкретными и специфическими свойствами структуры, которые могут существовать далеко не везде.
С этой точки зрения можно даже говорить о внепространственных и вневременных формах существования материи.Однако, можно задать и другой вопрос если пространство и время оказываются неуниверсальными, то какой смысл нужно вкладывать в них сейчас, чтобы они попрежнему оставались универсальными С этим вопросом связано возникновение и развитие различных модификаций гипотезы о макроскопической природе пространства и времени.
Если этой гипотезе пытаются придать философский статус, то это необоснованно, т.к. она носит сугубо физический характер и не вступает в противоречие с тезисом диалектическо - материалистической философии о всеобщности пространства и времени.Но в рамках физической проблематики эта гипотеза не означает, что макромир обладает только соответствующей пространственной природой, т.е. следует учитывать, что макромир не исчерпывается классическими объектами в классических пространстве и времени, что неклассический макромир может потребовать неклассической пространственно - временной организации 1. Аскин Я.Ф. Проблема времени.
Е физическое истолкование, М. Мысль 1986. 2. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании, М.Мысль 1982 253 с. 3. Ахундов М. Д. Проблемы прерывности и непрерывности пространства и времени, М.Наука 1989 256 с. 4. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени истоки, эволюция, перспективы, М.Наука 1982 222 с. 5. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения и регуляторы практической деятельности, МинскНаука и техника 1989 220 с. 6. Потмкин В.К Симанов А.Л. Пространство в структуре мира, НовосибирскНаука 1990 176 с. 7. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырх томах.
Том I. Работы по теории относительности 1905-1920, М.Наука 1985 700с.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: