АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

Пространство и время. Специальная и общая теории

Читайте также:
  1. I. Раздел общая дерматология.
  2. I. Точка зрения классической теории.
  3. II. ОЧЕРК ТЕОРИИ
  4. II. Специальная ответственность за личный вред
  5. III. Знание теории литературы.
  6. III. Общая ответственность за вред
  7. А) к кейнсианской теории,
  8. Административная школа управления: сущность и значение для развития теории и практики менеджмента
  9. Альтернативные теории спроса на деньги.
  10. Атом водорода по теории Бора
  11. Базовые элементы теории структурации
  12. Билет №10. Пищевая промышленность. Общая хар-ка отрасли. Влияние на ОС.

относительности

Эволюция представлений о пространстве и времени. Суть первоначальных представлений о пространстве и времени сводилась к тому, что они представляют собой некие внешние условия бытия, существующие независимо от материи. На основе подобных представлений Ньютоном была развита концепция абсолютного пространства и времени. Согласно этой концепции «абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным»; «абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по самой своей сущности течет одинаково и безотносительно к чему бы то ни было внешнему…». Другими словами, и время, и пространство существуют вне каких-либо материальных процессов и абсолютно независимо от них.

Проблема пространства и времени тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Напомним, что дальнодействие трактовалось (в частности, Ньютоном) как мгновенное распространение гравитационных и электрических воздействий через пустое абсолютное пространство. Напротив, концепция близкодействия (этой концепции придерживались Декарт, Гюйгенс, Фарадей, Максвелл) основана на представлении о том, что пространство заполнено эфиром, в котором любое взаимодействие передается от точки к точке, поэтому световые (и любые другие электромагнитные волны) распространяются с конечной скоростью. Именно такое понимание взаимодействия и пространства, возникшее в рамках классической физики, в XX веке (после отказа от гипотезы эфира) было развито в рамках теории относительности и квантовой механики.

Согласно современной (релятивистской) концепции, разработанной Эйнштейном в теории относительности, пространство и время представляют собой определенные формы координации материальных объектов и процессов, особенности и характер которых, в свою очередь, определяют основные свойства пространства и времени. Наличие у пространства и времени единого содержания – движущейся материи – показывает взаимосвязь пространства и времени, невозможность их существования абсолютно независимо друг от друга. С возникновением и развитием теории относительности ученые перестали рассматривать пространство и время как два атрибута материи – общее признание в естествознании и философии получил вывод о том, что их нужно объединить в понятие четырехмерного континуума и рассматривать как единую форму бытия материи – «пространство-время».

Основные свойства пространства и времени. Рассмотрим общие и специфические свойства пространства и времени. К первой группе свойствотносят:

1. Объективность (независимость от человеческого сознания).

2. Абсолютность, универсальность (пространство и время являются универсальными формами существования материи, проявляющимися на всех ее структурных уровнях и на всех этапах ее развития).

3. Неразрывность связи пространства и времени друг с другом и с движущейся материей.

4. Непрерывность структуры – отсутствие каких-либо разрывов в пространстве и во времени.

5. Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи (невозможно найти место, где отсутствовали бы пространство и время).

К специфическим свойствам пространства относят трехмерность, однородность и изотропность. Трехмерность означает, что пространство, в котором реализуются все известные процессы и взаимодействия, имеет три измерения, а положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин (координат).

Однородность пространства означает идентичность свойств всех точек пространства (отсутствие каких-либо выделенных точек). Однородности пространства соответствует симметрия относительно переноса системы координат – любой физический процесс протекает точно так же, если осуществить его в любой другой точке пространства.

Под изотропностью пространства понимают независимость его свойств от направления рассмотрения этих свойств (равноправность всех возможных направлений в пространстве). В изотропном пространстве любой физический процесс протекает так же, если осуществить его в любой другой системе отсчета, повернутой на произвольный угол (симметрия относительно поворота системы координат).

Время обычно характеризуют такими специфическими свойствами, как одномерность, необратимость, однородность.

Одномерностьвремени проявляется в линейной последовательности событий, связанных между собой, причем (в отличие от пространства) для определения положения во времени достаточно одной временной координаты. Кроме того, в отличие от пространства, обладающего свойствами изотропности и однородности, время обладает только свойством однородности, заключающимся в равноправии всех его моментов.

Однородность времени означает, что любой физический процесс протекает так же, если повторить его через произвольный промежуток времени (симметрия относительно изменения начала отсчета времени). Свойства однородности пространства и времени и изотропности пространства, как будет показано далее, теснейшим образом связаны с фундаментальными физическими законами – законами сохранения.

Необратимость является свойством времени, означающим однонаправленное его изменение от прошлого к будущему, обратное течение времени и возврат в прошлое невозможны. Необратимость времени связана с необратимостью протекания фундаментальных материальных процессов.

Принцип относительности. Классический принцип относительности (принцип физического равноправия инерциальных систем), сформулированный Галилеем в 1636 году, звучит так: во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам. Напомним, что инерциальными называются системы отсчета, в которых выполняется закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют взаимно уравновешенные силы), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Строго говоря, понятие инерциальной системы отсчета является научной абстракцией, т.к. любая реальная система отсчета всегда связана с конкретным телом (например, с Землей). В соответствии с классическим принципом относительности никакими механическими опытами, проводимыми в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно. Этот принцип, выступающий как один из принципов инвариантности, явился исходным пунктом теории относительности Эйнштейна.

Легко понять, что описание любого физического явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Например, пассажиры движущегося трамвая видят, что монета, выпавшая из руки одного из них, падает вертикально, а для пешеходов, стоящих на улице, движение этой монеты будет происходить по параболе. Таким образом, описание событий при переходе из одной системы отсчета в другую может изменяться, однако физические законы, соответствующие падению тел (равно как и любые другие законы природы) одинаковы для наблюдателей, находящихся как в неподвижной, так и в движущейся системе координат.

Другими словами, описание событий зависит от наблюдателя, а законы природы от него не зависят, т.е. являются инвариантными, в этом и заключается суть расширенного принципа относительности. Приведем эквивалентную формулировку этого принципа: физические законы имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Кроме принципа относительности из опыта известны и другие принципы инвариантности (или, говоря иначе, симметрии) законов природы, в частности, принципы симметрии, связанные с однородностью пространства и времени.

Основываясь на принципе относительности, Эйнштейн построил две отдельные (хотя и родственные, связанные друг с другом) теории. Классический принцип относительности Галилея утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета. Специальная (частная) теория относительности была создана Эйнштейном в результате попыток распространить действие этого принципа на законы электродинамики. В общей теории относительности утверждается инвариантность законов природы в любых системах отсчета – как инерциальных, так и неинерциальных системах (движущихся с переменной скоростью по отношению к инерциальным системам).

Специальная теория относительности. Благодаря своей особой роли не только в электродинамике, но и в теории относительности Эйнштейна центральное место занимает скорость света. Долгое время ее считали бесконечно большой величиной, численное значение скорости света в свободном пространстве, приближенно равное 300000 км/с, было определено лишь в XIX веке. Эта величина является верхним пределом скорости любых объектов, волн и сигналов, предельной скоростью передачи информации и любых физических взаимодействий. В подавляющем большинстве случаев скорость света несоизмеримо велика по сравнению со скоростями тел в окружающем нас мире (например, скорость Земли в ее орбитальном движении вокруг Солнца составляет около 30 км/с, а скорость самого Солнца, движущегося вокруг центра Галактики, равна примерно 250 км/с).

В соответствии с расширенным принципом относительности скорость света в вакууме должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип, казалось бы, противоречит здравому смыслу, так как свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного источника должны доходить до наблюдателя одновременно. Однако в природе распространение света происходит именно так.

Чтобы обобщить принцип относительности и распространить его на все законы физики, Эйнштейну пришлось пересмотреть ньютоновские пространственно-временные представления. Из специальной теории относительности следует, что многие пространственно-временные свойства, считавшиеся до сих пор неизменными, абсолютными, фактически таковыми не являются – они относительны. В частности, в специальной теории относительности утратили свой абсолютный характер такие пространственно-временные характеристики, как протяженность объекта (длина), временной интервал, одновременность событий. Все эти характеристики, как показал Эйнштейн, зависят от взаимного (относительного) движения материальных объектов.

Специальная теория относительности объединяет пространство и время в целостный пространственно-временной континуум. В соответствии с этой теорией пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения – при увеличении скорости тела (до значений, близких к скорости света) его размеры тела сокращаются в направлении движения, временные процессы замедляются, кроме того, при этом возрастает масса тела.

Считается, что релятивистские эффекты в принципе можно измерить. Так, если космический корабль отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю в системе корабля пройдет существенно меньше времени, чем на Земле, и это различие будет тем большие, чем дольше длится полет и чем ближе скорость корабля к скорости света. Разница во времени может достигать десятков и сотен лет, в результате чего экипаж корабля перенесется в будущее (по земным меркам), минуя промежуточное время, так как экипаж вместе с кораблем выпал из хода времени (темпа развития процессов) на Земле.

При сложном (совокупном) движении материального объекта его скорость определяется сложением векторов скоростей, соответствующих компонентам движения. В этом смысле скорость относительна – ее величина зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. В противоположность этому движение света принципиально отличается от движения других материальных объектов, скорость которых меньше скорости света – скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, В этом состоит суть важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности.

Абсолютность, неизменность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство скорости света – твердо установленное свойство природы. Чрезвычайно важным является то, что без привлечения этой важнейшей величины – скорости света – невозможно решить проблему одновременности событий. Одновременность в теории относительности также является относительной, зависящей от системы отсчета. В классической механике, в которой время абсолютно, абсолютной является и одновременность явлений. В специальной теории относительности рассматриваются парадоксальные эффекты, возникающие при движении тел со скоростью, близкой к скорости света, и противоречащие обычным интуитивным представлениям о мире. Самый известный из этих эффектов – эффект замедления (замедления хода часов): часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем такие же часы у него на руке.

Предсказания специальной теории относительности, сколь бы противоречащими здравому смыслу они ни казались, находят полное и прямое экспериментальное подтверждение. В частности, при исследованиях свойств элементарных частиц в ускорителях пучки заряженных субатомных частиц (таких, как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах необходимо учитывать увеличение массы разгоняемых частиц, в противном случае результаты экспериментов не поддаются объяснению и разумной интерпретации. Специальная теория относительности давно перешла из разряда гипотетических теорий в область прикладных инженерных инструментов и используется наравне с классическими законами движения Ньютона. Необходимо подчеркнуть, что специальная теория относительности не противоречит законам классической механики и не отменяет их, а, напротив, расширяет и дополняет эти законы. При малых скоростях уравнения теории относительности переходят в уравнения классической механики.

Общая теория относительности. В отличие от специальной теории относительности общая теория относительности (ОТО) применима к любым системам отсчета. В математическом отношении ОТО гораздо сложнее, она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (а, следовательно, и законы Ньютона),. В ОТО установлена зависимость пространственно-временных отношений от материальных процессов, протекающих во времени и пространстве. В основе этой теории лежит принцип эквивалентности инерционной и гравитационной масс, установленный еще в классической физике: кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны инерциальным эффектам, возникающим под действием ускорения.

В общей теории относительности Эйнштейн дает новую интерпретацию гравитации. В соответствии с законом всемирного тяготения между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения – именно поэтому, в частности, Земля вращается вокруг Солнца. Однако в ОТО это явление интерпретируется иначе: гравитационное поле любого тела является следствием деформации (искривления) пространства-времени под воздействием массы тела. При этом, чем тяжелее (массивнее) тело, порождающее гравитацию, тем сильнее деформируется пространство-время вокруг него и тем сильнее его гравитационное поле. То, что наблюдатель считает силой тяжести (силой в ньютоновском понимании), согласно ОТО есть мера внешнего проявления искривления пространства-времени. Отметим, что до настоящего времени подобная трактовка является наиболее удовлетворительным объяснением природы гравитации.

В ОТО установлено не только искривление пространства под действием гравитационного поля, но и замедление хода времени в сильных полях тяготения, которое тем заметнее, чем интенсивнее гравитационное поле (в гравитационном поле с достаточно высокой напряженностью возможна полная остановка времени). При этом со световым излучением происходит следующее: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина световой волны и уменьшается ее частота; при определенной величине напряженности гравитационного поля длина волны стремится к бесконечности, а ее частота соответственно к нулю. Для наблюдателя этот эффект проявляется в том, что источник светового излучения становится невидимым, поскольку свет не распространяется, не покидает источника. В частности, со светом, излучаемым Солнцем, такое могло бы случиться при его сжатии в шар с радиусом менее 3 км – тогда (в соответствии с законом всемирного тяготения) сила тяготения вблизи поверхности этого шара увеличится настолько, что свет не сможет покинуть поверхность звезды.

Общая теория относительности стала последней фундаментальной физической теорией, созданной в рамках построения электромагнитной картины мира. Современное понимание пространства и времени, как видно из вышеизложенного, тесно связано с теорией относительности.

Основное концептуальное значение теории относительности заключается в следующем.

1. Теория относительности исключила из науки понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, показав тем самым несостоятельность субстанциальной трактовки пространства и времени как самостоятельных, независимых от материи форм бытия.

2. Теория относительности показала зависимость свойств пространства и времени от характера движения и взаимодействия материальных объектов.

3. Теория относительности подтвердила правильность трактовки пространства и времени как самых общих основных форм существования материи, в качестве содержания которых выступает движущаяся материя.

Выражая суть теории относительности кратко, Эйнштейн говорил о том, что в классической механике считается: если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время остались бы, а в теории относительности утверждается, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время.

Вместе с тем с разработкой теории относительности не прекратились споры о трактовке, истолковании пространства и времени. Решив одни вопросы, теория относительности поставила другие. При этом необходимо отметить, что вокруг самой теории относительности сразу же при ее создании возникли разногласия, которые не исчезли и до настоящего времени. Некоторые ученые истолковали связь пространства и времени с тяготением как их полную тождественность, что, в частности, привело к попыткам геометризации физических полей. В концептуальном отношении такой подход к пониманию сущности, к трактовке пространства и времени приводит к утверждениям о том, что пространство и время являются некоторой исходной физической реальностью, начальной глобальной субстанцией, которая порождает, обусловливает физические свойства реального мира.

Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности Эйнштейна, являются наиболее гармоничными и последовательными представлениями – описание явлений микромира производится также на основе представления о пространственно-временном континууме, т.е. теория относительности переносится из мегамира в область микромира без каких-либо изменений. Этому благоприятствует то, что экспериментальные результаты, противоречащие применению теории относительности в микромире, к настоящему времени отсутствуют.

Теория относительности, созданная в начале XX века, заставила пересмотреть традиционные воззрения на пространство и время и отказаться от субстанциальной концепции. Основополагающее концептуальное значение теории относительности заключается также и в расширении диалектических связей в природе.

 


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

Поиск по сайту:



Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.005 сек.)