Концепція простору і години у сучасному природознавстві

ВСГТУ.

Доповідь на тему:

Выполнил:студент грн. 521−2.

Матвєєв Ф.И.

Улан-Удэ.2001.

РОЗВИТОК ПОДАННІ Про ПРОСТОРІ І ВРЕМЕНИ.

У матеріалістичної картині світу поняття простору виникло на основі спостереження та практичного використання об'єктів, їхніх об'єму і протяженности.

Поняття часу виникло з урахуванням сприйняття людиною зміни подію, послідовної зміни станів предметів і круговороту різних процессов.

Природничонаукові уявлення щодо простору і часу пройшли довгий шлях становлення та розвитку. Найперші їх виникли з очевидного існування у природі й насамперед в макросвіті твердих фізичних тіл, котрі посідають певний обсяг. Тут основними були повсякденні уявлення щодо простору і часу, як про якісь зовнішніх умов буття, у яких вміщена матерія і який збереглися б, якби навіть матерія зникла. Такого погляду дозволив сформулювати концепцію абсолютного простору й часу, яка дістала свою найбільш чітку формулювання в роботі І. Ньютона «Математичні початку натуральної філософії» Ця праця понад двоє століть визначив розвинене всієї природничо-науковому картини світу. У нього був сформульовані основні закони руху, і дадуть визначення простору, часу, місця та движения.

— Розкриваючи сутність простору й часу, Ньютон пропонує розрізняти два типу цих понять абсолютні (істинні, математичні) і відносні (удавані, повсякденні) і подає таку типологічну характеристику.

— Абсолютна, справжнє, математичне час саме собі й своєї сутності це без будь-якого ставлення до чогось зовнішньому, протікає рівномірно і інакше називається длительностью.

— Відносне, позірна, чи повсякденне, час є чи точна, чи мінлива, яку можна опанувати почуттями зовнішня міра тривале і, вживана в повсякденного життя замість істинного математичного часу, а саме годину, день, місяць, год.

— Абсолютна простір зі своєї сутності, безвідносно до чого б то не було зовнішньому, залишається завжди однаковим і неподвижным.

— Відносне простір є міра або обмежена рухлива частина, визначене нашими почуттями за формальним становищем його щодо деяких тіл і який в повсякденного життя приймається за простір неподвижное.

— Час і становлять хіба що вмістилища себе і лише существующего.

За такої розумінні абсолютне простір та палестинці час представляли деякими самодостатніми елементами буття, існуючими поза і, незалежно від якихось матеріальних процесів, як універсальні умови, у яких вміщена матерія. Ця концепція «чорної скриньки», яку говорилося вище. Цей погляд близький до субстанціонального розумінню простору й часу, хоча в Ньютона які й є справжніми субстанціями, як матерія вони мають лише одне ознакою субстанції абсолютної самостійністю існування й незалежністю від будь-яких конкретних процесів, але вони мають іншим найважливішим якістю субстанції - здатністю породжувати різні тіла, зберігатися у тому основі попри всі змінах тіл. Таку здатність Ньютон визнавав лише над матерією, що розглядалася як сукупність атомів. Щоправда, матерія — теж вторинна субстанція після Бога, що створив світ, простір і час, і призвела в рух. Бог, будучи істотою внепространственным і позачасовим, непідвласний часу, де всі мінливе і минуще. Він вічний у своїй нескінченному досконало й всемогутності і справжня сутністю будь-якого буття. До нього застосовна категорія часу. Бог існує у вічності, що є атрибутом Бога. Щоб повніше реалізувати свою нескінченну мудрість та міць, створює світ із нічого, творить матерію, а із нею простір та палестинці час як умови буття матерії. Та колись світ повністю здійснить закладений ньому при витворі божественний план розвитку та його існування припиниться, а разом із світом зникнуть простір та палестинці час. І знову лише вічність як атрибут Бог і погода його нескінченна всюдисущість. Такі погляди виражалися загалом ще Платоном, Аврелієм Августином, Хомою Аквінськ і ід послідовниками, Ньютон також поділяв ці взгляды.

У цих поглядах, і з теологічною погляду, містяться глибокі розбіжності. Адже однократний акт створення світу і приреченість його за прийдешню загибель відповідає нескінченному могутності, досконалості і мудрості Бога. Цим божественним атрибутом більш відповідала б безліч актів твори найрізноманітніших світів, послідовно сменяющих одне одного у просторі і часу. У кожному з низ реалізовувалася б певна ідея, дана цього світу Богом, проте безліч цих ідеї створювала нескінченне простір і час. Такі ідеї, сказані у загальному вигляді ще александрійський теологом Оригеном (Ш в. н.е.) і оголошені невдовзі єрессю, у час розвивалися у філософії Лейбніца, выдвинувшего ідею наперед визначеної гармоні в кожному з потенційно можливих світів. Ляйбніц розглядав простір як порядок співіснування тіл, а час — як порядок стосунки держави й послідовність подій. Це розуміння становило сутність реляційної концепції простору й часу, що протистояла їх розумінню як абсолютних і залежних ні чого реальностей, підвладних лише Богу.

Є концепції (Берклі, Авенариус та інших.), які ставлять простір і час у залежність від людської свідомості, виводячи їх із здібності людини переживати й упорядкувати події, розташовувати їх одне біля іншого. Так, Кант розглядав простір та палестинці час як апріорні (доопытные) форми почуттєвого споглядання, вічні категорії свідомості, аргументуючи це посиланням на стабільність геометрії Евкліда протягом двох тысячелетий.

Проблема простору й часу була міцно пов’язана з концепціями близкодействия і дальнодействия. Дальнодействие планували як миттєве поширення гравітаційних і електричних сил через порожній абсолютне просторів у, у якому сили знаходять свою кінцевої мети завдяки божественному провидінню. Концепція ж близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) пов’язана з розумінням простору як протяжності речовини і ефіру, у якому світло поширювався з кінцевої швидкістю вигляді хвиль. Це призвело до надалі вдаватися до поняттю поля, від точки до точки якого і передавалося взаимодействие.

Саме ця розуміння взаємодії та простору, развивавшееся в рамках класичної фізики, було успадковано і розвинене далі в XX столітті, після катастрофи гіпотези ефіру, у межах теорії відносності і квантової механіки. Простір та палестинці час знову почали розумітись як атрибути матерії, визначаються її зв’язками і взаимодействиями.

Сучасне розуміння простору й часу було сформульовано в теорії відносності А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцію простору й часу й дала їй природничонаукове обоснование.

ТЕОРІЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.

Вихідним пунктом цієї теорії став принцип відносності класичний принцип відносності було сформульовано ще Р. Галилеем: переважають у всіх інерціальних системах відліку рух тіл іде за рахунок однаковим законам. Инерциальными називаються системи відліку, рухомі друг щодо друга рівномірно і прямолинейно.

Галілей роз’яснював це положення різними наочними прикладами. Уявімо мандрівника у зачиненій каюті спокійно що пливе корабля Він не помічає ніяких ознак руху. Якщо каюті літають мухи, вони зовсім на нагромаджуються у задньої її стінки, а спокійно літають з усього обсягу. Якщо підкинути м’ячик просто вгору, він впаде прямо вниз, а чи не відстає корабля, не впаде ближчі один до корме.

З принципу відносності слід, що спокоєм і рухом — якщо воно рівномірно і прямолінійно — немає жодної принципової різниці Різниця лише у точці зрения.

Наприклад, мандрівник в каюті корабля цілком обгрунтовано вважає, що вона, що з його столі, спочиває. Людина березі бачить, що корабель пливе, і має всі підстави вважати, що вона рухається і притому із тієї самою швидкістю, як і корабель. Так рухається насправді книга чи покоится?

Саме це питання, очевидно, не можна відповісти просто «так» чи «немає» Суперечка між мандрівником і людини березі було б марно згаяним часом, якби кожен із новачків відстоював тільки своє думку зв заперечував точку зору партнера. Вони обидва мають рацію, і щоб узгодити позиції, їм потрібне лише визнати, що вона спочиває щодо кораблі та рухається щодо берега разом із кораблем.

Отже, слово «відносність» до назви принципу Галілея не приховує у собі нічого особливого Воно немає жодного іншого сенсу, крім того, який ми вкладаємо в твердження у тому, що рух чи спокій — завжди рух чи спокій щодо чогось, що є нам системою відліку. Це, звісно, значить, що спокоєм і рівномірним рухом немає різниці. Але поняття спокою і рух набувають сенс буде лише тоді, коли зазначена точка отсчета.

Якщо класичний принцип відносності стверджував инвариантность законів механіки переважають у всіх інерціальних системах відліку, то спеціальної теорії відносності даний принцип поширений на закони електродинаміки, а загальна теорія відносності стверджувала инвариантность законів природи у різноманітних системах відліку, як інерціальних, і неинерциальных. Неинерциальными називаються системи відліку, рухомі з уповільненням чи ускорением.

Відповідно до спеціальної теорією відносності, яка об'єднує простір та палестинці час у єдиний четырехмерный просторовотимчасової континуум, просторово-часові властивості тіл залежить від швидкості їх руху. Просторові розміри скорочуються у бік руху з наближенням швидкості тіла до швидкості світла, а вакуумі (300 000 км/с), тимчасові процеси уповільнюються в быстродвижущихся системах, маса тіла увеличивается.

Знаходячись у супутньої системі відліку, тобто рухаючись паралельно й на рівній відстані від вимірюваною системи, не можна помітити ці ефекти, які називаються релятивістськими, бо всі використовувані при вимірах просторові масштаби і годинники змінюватимуться точно настільки ж чином. Відповідно до принципу відносності, всі в інерціальних системах відліку протікають однаково. Але якщо система є иеинерцнальной, то релятивістські ефекти можна побачити і виміряти. Так, якщо уявлюваний релятивістський корабель типу фотонної ракети вирушить до далеким зіркам, то після повернення його за Землю часу у системі корабля пройде значно коротші, ніж Землі, і це відмінність буде більше, що далі відбувається політ, а швидкість корабля буде ближчі один до швидкості світла. Різниця може вимірюватися навіть сотнями і тисячами років, в результаті чого екіпаж корабля відразу перенесеться в близьке або як віддалене майбутнє, минаючи проміжне час, оскільки ракета разом із екіпажем випала з розвитку на Земле.

Подібні ж процеси уповільнення часоплину залежно від швидкості руху реально реєструються зараз у вимірах довжини пробігу мезонів, які виникають за зіткненні частинок первинного космічного випромінювання з ядрами атомів на Земле.

Отже, спеціальна теорія відносності виходить з розширеному принципі відносності Галілея. З іншого боку, вона використовує ще одне нове становище: швидкість поширення світла (без неї) однакова переважають у всіх інерціальних системах отсчета.

Але чому такі важлива ця швидкість, що судження неї прирівнюється по значенням до принципу відносності? Річ у тім, що ми тут зіштовхуємося з іншою універсальної фізичної константою. Швидкість світла — це найбільш велика із усіх швидкостей у природі, гранична швидкість фізичних взаємодій. Тривалий час її взагалі вважали безкінечною. Вона стала встановлена у ХІХ ст., склавши 300 000 км/с. Це величезна швидкість по порівнянню з зазвичай наблюдаемыми швидкостями в навколишньому світі. Наприклад, лінійна швидкість обертання Землі на екваторі дорівнює 0,5 км/с. швидкість Землі у її орбітальному обертанні навколо Сонця — 30 км/с, швидкість самого Сонця його русі навколо центру Галактики — близько 250 км/с. Швидкість руху всієї Галактики з великою групою інших галактик щодо інших таких самих гуртів — ще майже удвічі більше. Разом із Землею, Сонцем і Галактикою ми летимо осіб у космічному просторі, самі того і не помічаючи, із великою швидкістю, вимірюваною кількома сотнями кілометрів на секунду. Це величезна швидкість, проте і її мала порівняно з швидкістю света.

Уявімо експеримент: великий супутник рухається орбітою навколо Землі, і від нього, і з космодрому, запускається ракета — міжпланетна станція до Венері. Запуск виробляється суворо у напрямі руху орбітального космодрому. З законів класичної механіки слід, що щодо Землі ракета матиме швидкість, рівну сумі двох швидкостей: швидкість ракети щодо орбітального космодрому плюс швидкість самого космодрому щодо Землі. Швидкості рухів складаються, і ракета отримує досить велику швидкість, яка дозволяє подолати тяжіння Землі та полетіти до Венере.

Інший експеримент: зі супутника випускається промінь світла в напрямі його руху. Щодо супутника, звідки ж він испущен, світло поширюється зі, швидкістю світла. Яка швидкість поширення світла щодо Землі? Вона залишається той самий. Навіть якщо взяти світло буде испускаться за руху супутника, а протилежному напрямі, і тоді щодо Землі швидкість світла не зміниться. Це — ілюстрація того найважливішого затвердження, яке належить основою спеціальної теорії відносності. Рух світла принципово відрізняється від руху всіх інших тіл, швидкість котрих значно менша швидкості світла. Швидкості цих тіл завжди складаються коїться з іншими швидкостями. У цьому сенсі швидкості відносні: їхній розмір залежить від погляду. А швидкість світла не складається коїться з іншими швидкостями, вона абсолютна, завжди сама й той самий, і, говорячи про ній, ми мусимо вказувати систему отсчета.

Абсолютність швидкості світла який суперечить принципу відносності і повністю сумісна з нею. Сталість цієї швидкості «закон природи, а тому — саме у відповідно до принципу відносності - він справедливий переважають у всіх інерціальних системах отсчета.

Швидкість світла це верхня межа для швидкості переміщення будь-яких тіл природи, для швидкості поширення будь-яких хвиль, будь-яких сигналів. Вона максимальна — це абсолютний рекорд швидкості. Тому часто кажуть, що швидкість світла — гранична швидкість передачі. І гранична швидкість будь-яких фізичних взаємодій, та й взагалі всіх мислимих взаємодій в мире.

З швидкістю світла тісно пов’язані розв’язання проблеми одночасності, що також виявляється відносної, тобто яка від погляду. У класичної механіці, котра вважала час абсолютним, абсолютної є і одновременность.

У загальній теорії відносності було розкрито нові боку залежності просторово-часових відносин від матеріальних процесів. Ця теорія підвела фізичні підстави під неевклидовы геометрії і зв’язала кривизну простору й відступ його метрики від евклідовій з дією гравітаційних полів, створюваних масами тіл. Загальна теорія відносності виходить із принципу еквівалентності інерційної зв гравітаційної мас, кількісне рівність яких давно було встановлено у «класичній фізиці. Кінематичні ефекти, виникаючі під впливом гравітаційних сил, еквівалентні ефектів, які виникають під впливом прискорення. Тож якщо ракета злітає з прискоренням 2g, то екіпаж ракети почуватиметься оскільки що він перебуває у подвоєному полі тяжкості Землі. На основі принципу еквівалентності мас був узагальнено принцип відносності, що підтверджує у спільній теорії відносності инвариантность законів природи у різноманітних системах відліку, як інерціальних, і неинерцнальных.

Як можна уявити викривлення простору, про яке говорить загальна теорія відносності? Уявімо дуже тонке лист гуми і вважатимемо, що це модель простору. Розташуємо у цьому аркуші більші поступки й маленькі кульки — моделі зірок. Ці кульки будуть прогибать лист гуми тим більше коштів, що більше маса кульки. Це наочно демонструє залежність кривизни простору від безлічі тіла, і показує також, що звична нам евклидова геометрія у разі не діє (працюють геометрії Лобачевського і Римана).

Теорія відносності встановила як викривлення простору під дією полів тяжіння, а й уповільнення часоплину в сильних гравітаційних полях. Навіть тяжіння Сонця — досить невеличкий зірки по космічним мірками — впливає темп перебігу часу, уповільнюючи його поблизу себе. Тому коли ми пошлемо радіосигнал на якусь точку, шлях до якій здійснюється поруч із Сонцем, подорож радіосигналу займе у тому разі більше часу, чому тоді, коли по дорозі цього сигналу в такому ж відстані нічого очікувати Сонця. Затримка сигналу за його проходженні поблизу Сонця становить близько 0,0002 с.

Одне з фантастичних пророцтв загальної теорії відносності - повне припинення часу у дуже сильному полі тяжіння. Уповільнення часу то більше вписувалося, чим сильніший тяжіння. Уповільнення часу проявляється у гравітаційному червоному зміщення світла: чим сильніший тяжіння, тим більше коштів збільшується довжина хвилі і зменшується його частота. При певних умовах довжина хвилі може поспішити до нескінченності, та її частота до нулю.

З світлом, испускаемым Сонцем, це могло статися, якби наше світло раптом стиснулося і перетворилася на кулю з радіусом в 3 км менше (радіус Сонця дорівнює 700 000 км). Через такого стискування сила тяжіння на поверхні, звідки і виходить світло, зросте настільки, що гравітаційне червоне усунення виявиться справді бесконечным.

Відразу скажімо, що з Сонцем цього ніколи насправді не станеться. У кінці свого існування, через 15−20 млрд. років, воно відчує, мабуть. Безліч перетворень, його центральна область може значно стиснутися, проте негаразд сильно.

А інші зірки, маси що у три і більше разів перевищують масу Сонця, наприкінці свого життя й справді випробують швидше за все швидке катастрофічне стиснення під впливом свою власну тяжіння. Це може призвести до стану чорної діри. Чорна діра — це фізичне тіло, що дає настільки сильне тяжіння, що червоне усунення для світла, испускаемого поблизу нього, здатне звернутися у бесконечность.

Чорні діри творяться у результаті нестримного стискування речовини під дією його власного тяжіння. Щоб виникла, чорна діра, тіло має стиснутися до радіуса, не переважає відносини маси тіла до масі Сонця, помноженого на 3 км. Це критичне значення радіуса називають гравітаційним радіусом тела.

Фізики і астрономи цілком впевнені, що чорні діри перебувають у природі, до цього часу їх виявити зірвалася. Труднощі астрономічних пошуків пов’язані із дуже природою цих незвичайних об'єктів. Адже нескінченне червоне усунення, внаслідок чого звертається до нуль частота прийнятого світла, зробила їх просто невидимими. Не світять, і тому цього слова є чорними. Лише з ряду непрямих ознак можна сподіватися помітити чорну діру, наприклад, у системі подвійний зірки, де його партнером було б звичайна зірка. З спостережень руху видимої зірки загалом полі тяжіння такий пари можна було б оцінити масу невидимою зірки, і Якщо ця величина перевищить масу Сонця три і успішніше саме, можна буде потрапити стверджувати, що ми знайшли чорну дыру.

Зараз є кілька добре вивчених подвійних систем, у яких маса невидимого партнера становить 5 і навіть 8 мас Сонця. Швидше всього, і є чорні діри, але астрономи до уточнення цих оцінок віддають перевагу назві ці об'єкти кандидатами в чорні дыры.

Гравітаційне уповільнення часу, мірою і свідченням якого служить червоне усунення, дуже багато поблизу нейтронної зірки, а поблизу чорної діри, біля її гравітаційного радіуса, воно настільки велика, що час там хіба що замирает.

Для тіла, яка потрапляє полі тяжіння чорної діри, освіченою масою, рівної 3 масам Сонця, падіння з певної відстані 1 млн. км до гравітаційного радіуса забирає всього близько години. Але з годинах, які почивають далеко від чорної діри, вільне падіння тіла у її полі растянемся у часі до нескінченності. Чим ближче до падаюче тіло до гравітаційному радіусу, тим паче повільним буде представлятися цей політ віддаленому наблюдателю.

Тіло, бачимо здалеку, буде як довго наближатися до гравітаційному радіусу і не досягне його. У цьому полягає уповільнення часу поблизу чорної дыры.

Уявлення щодо простору і часу, формулирующиеся теоретично відносності Ейнштейна, нині є послідовними. Але є макроскопическими, оскільки спираються на досвід дослідження макроскопічних об'єктів, великих відстаней і великих проміжків часу. При побудові теорій, що описують явища мікросвіту, ця класична геометрична картина, передбачає безперервність простору й часу (просторово-часової континуум), була перенесена нові область без жодних змін. Експериментальних даних, суперечать застосуванню теорії відносності в мікросвіті, поки немає. Але саме розвиток квантових теорій, можливо, зажадає перегляду баченні поняття фізичному просторі і времени.