РЕФЕРАТ, ГРУППА ЗРЛ - 13 ДЖУМАГАЛИЕВА А.А.. Современные представления о пространстве и времени
 Скачать 44.15 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное Учреждение высшего образования «Астраханский государственный университет» Реферат по учебной дисциплине: «Концепция современного естествознания» На тему: «Современные представления о пространстве и времени» Выполнила: студентка 1 курса группы ЗРЛ – 13 Джумагалиева А.А. Руководитель: Астафьева Светлана Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент Кафедры биотехнологии, зоологии и аквакультуры Астраханский государственный университет Астрахань, 2018 Содержание Введение …………………………………………………………………………… 3 Глава I. Развитие представлений о пространстве и времени ……………… 4 Глава 1.1. Понятие «пространства» и «времени» ……………………………… 4 Глава 1.2. Развитие пространственно-временных представлений в классической механике …………………………………………………………………………… 5 Глава 1.3. Пространство и время в античной философии ……………………… 9 Глава II. Концепции пространства и времени в современном естествознании …………………………………………………………………... 11 Глава 2.1. Специальная теория относительности ……………………………… 11 Глава 2.2. Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии ……………………………………………………... 15 Глава 2.3. Пространство и время на уровне микромира ……………………….. 20 Глава III. Свойства пространства и времени ……………………………….. 22 Заключение ………………………………………………………………………. 24 Список использованной литературы ………………………………………… 26 Введение Данный реферат написан по дисциплине «Концепция современного естествознания» на тему: «Современные представления о пространстве и времени». Важнейшей задачей естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Атомизм древнегреческих натурфилософов и геометрия Эвклида послужили основанием для классической механики Ньютона. Накопление знаний в различных областях физики и астрономии привело к следующему шагу познания - созданию теории относительности Эйнштейна. Прошло более 2500 лет с той поры, как было положено начало осмыслению времени и пространства, но интерес к проблеме и споры философов, физиков и представителей других наук вокруг определения природы пространства и времени нисколько не снижаются. Понятие пространства - времени является важнейшим и самым загадочным свойством Природы или, по крайней мере, человеческой природы. Представление о пространстве времени подавляет наше воображение. Целью данной работы является изучение представления о пространстве и времени. В связи с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: рассмотреть более ранние представления о пространстве и времени; изучить специальную и общую теорию относительности; пространство и время на уровне микромира. изучить свойства пространства и времени. Глава I. Развитие представлений о пространстве и времени Глава 1.1. Понятие «пространства» и «времени» Пространство – характеристика протяженности материальных объектов и процессов. Количественным выражением пространства является расстояние, которое в системе единиц СИ измеряется в метрах. Абсолютность пространства означает его независимость от материи (также от движения и времени). То есть по классическим представлениям пространство служит вместилищем материи. Однородность пространства означает, что во всех его точках физические свойства пространства одинаковы. Непрерывность пространства означает, что какой бы малый объем его мы ни выделяли, оно не исчезает, а остается. Как правило, современные концепции о физических свойствах пространства оказываются диаметрально противоположны классическим концепциям: пространство относительно, т.е. не может существовать без материи и зависит от «материального наполнения»; пространство неоднородно, т.е. его физические свойства различаются в разных точках; пространство дискретно, т.е. перестает существовать ниже некоторой малой длины, так называемого кванта пространства. Пространство имеет свои геометрические характеристики. Точки зрения классических концепций: пространство трехмерно, двунаправлено и неевклидово. Мерность пространства означает число независимых координат, необходимых и достаточных для точного задания положения материальной точки. Двунаправленность пространства означает, что положительные и отрицательные направления осей координат равноправны. Евклидовость пространства означает, что для него выполняются правила Евклида – математика эпохи эллинизма. Время – характеристика продолжительности материальных процессов. Количественным выражением такой характеристики является промежуток времени, который в системе СИ измеряется в секундах. На протяжении истории естествознания представления ученых о времени изменялось. Современные концепции о физических свойствах времени противоположны классическим представлениям: время относительно, т.е. не существует без материи и зависит от «материального присутствия». время неоднородно, т.е в разных точках пространства течет по-разному. время дискретно, т.е. перестает существовать для промежутка времени, меньшего некой предельно малой величины, так называемого кванта времени. Геометрические характеристики времени: одномерно, однонаправлено. Глава 1.2. Развитие пространственно – временных представлений в классической механике В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объемов и протяженности. Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной смены состояний предметов и круговорота различных процессов. Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику: абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и 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. Время и пространство представляют собой вместилища самих себя, всего существующего. Этот взгляд близок к субстанциональному пониманию пространства и времени, хотя у Ньютона они и не являются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают лишь одним признаком субстанции - абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важным качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя - тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время, и привел их в движение. Бог, являясь существом непространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его существование прекратиться, а вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность как особенность Бога и его бесконечная везде сущность. Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном, А. Августином, Ф. Аквинским и их последователями. Ньютон также разделял эти взгляды. В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержаться глубокие противоречия. Этим божественным атрибутам более соответствовало бы бесконечное множество актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из них реализовывалась бы определенная идея, данная этому миру Богом, а всё множество этих идей создавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идеи, высказанные в общем виде еще александрийским теологом Оригеном (III в. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в Новое время развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциально возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Есть концепции (Беркли, Мах, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течении двух тысячелетий. Проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие. Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности Альберта Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени, а также давшей ей естественнонаучное обоснование. Глава 1.3. Пространство и время в античной философии Для того, чтобы узнать современные представления о пространстве и времени, прежде всего следует узнать, как представляли его в античной философии. Рациональные идеи, согласующиеся с сегодняшними представлениями о времени и пространстве можно найти в учениях почти всех античных мыслителей. Так в учении Гераклита центральное место занимает идея всеобщего изменения – в одну реку нельзя войти дважды. Атомизм Демокрита и система Аристотеля – две наиболее полные античные доктрины о пространстве и времени. Демокрит во многом предвосхитил фундаментальные открытия ученых прошлого века. Он сказал, что всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи (атомов), которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются первоначалами мира. По Демокриту атомы физически неделимы. Они не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из отсутствия начала у времени. Атомы двигаются в пустоте. Атомы в сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира. В основе атомов лежат амеры. Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Характеризуя систему Демокрита как теорию структурных уровней материи - физического (атомы и пустота) и математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя пространствами: непрерывное физическое пространство и математическое пространство, основанное на амерах. У Демокрита сложились представления о природе времени и движения. Они были развиты Эпикуром в стройную систему. Эпикур рассматривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени. Например, он сказал, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. Дальнейший анализ времени ведётся Аристотелем 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 впервые реализована реляционная концепция. 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. Но это лишь один из уровней космоса Аристотеля. Его космологическая модель функционировала в неоднородном конечном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на два уровня: земной и небесный. Земной уровень состоял из четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Аристотелю удалось создать радикальную, для своего времени модель пространства – времени. Она просуществовала более двух тысячелетий. Установить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для того чтобы полученная величина была многофункциональной, необходимо использовать движение с максимальным оборотом. В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы. Глава II. Концепции пространства и времени в современном естествознании Глава 2.1. Специальная теория относительности Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. Альбертом Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галелея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. «Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем». Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: «Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой». Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил». Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля, он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки, а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Из принципа относительности следует, что между покоем и движением нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или нет? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет». Таким образом, слово «относительно» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно - временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается. 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». Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующих 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 пространству и времени придаются новые свойства: относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени. Теория Эйнштейна исходит из ограниченности и относительности трехмерного, чисто пространственного представления о мире и вводит более точное пространственно-временное представление. С точки зрения теории относительности в картине мира должны фигурировать четыре координаты и ей должна соответствовать четырехмерная геометрия. Однородность пространства выражается в сохранении импульса, а однородность времени - в сохранении энергии. Однородность пространства – времени означает, что в природе нет выделенных пространственно-временных мировых точек. Нет события, которое было бы абсолютным началом четырехмерной, пространственно-временной системы отсчета. Таким образом, сформулированная в 1905 г. А. Эйнштейном специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна: принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой; принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Первый постулат утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. механические, электродинамические, оптические и пр. явления и процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света в вакууме является одним из фундаментальных свойств природы. Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Из специальной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий. Разделение на пространство и время не имеет смысла. Пространство и время в специальной теории относительности трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако когда Эйнштейн попытался 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 - времени 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. Глава 2.2. Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии. В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности: «физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением». Принцип эквивалентности помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана). Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим меркам - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала - при таком же времени вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчёта. 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». 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. 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». Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме. Рассмотрим далее релятивистскую космологию, именно с ней связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики. Классические представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом: вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени. Они являлись одним из следствий механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру евклидово. Такая модель казалась очень гармоничной и единственной, на уровне бытового сознания данная модель доминирует и в начале нашего 21-го века. Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений (стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства), чтобы преодолеть противоречия. 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 космологии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной. Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна ли вселенная или бесконечна. 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 (силы притяжения и отталкивания). 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. В связи с этим встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называемое «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», понятие времени до этого момента 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. Как «начало» Вселенной, так и процессы в «чёрных дырах» связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда. 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: образуется «чёрная дыра». Представления о пространстве и времени, формирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени. Глава 2.3. Пространство и время на уровне микромира 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 пространственно – временных представлений классической физики. Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не создана 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: уровень молекулярно – атомных явлений; уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов, уровень элементарных частиц, уровень ультрамалых масштабов, где пространственно - временные отношения оказываются несколько иными, чем в физике макромира. В этой области по – иному следует понимать природу пустоты – вакуум. 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. 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. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения «раньше» и «позже». Таково принципиальное положение дел, сложившееся в представление о пространстве – времени на микроуровне, 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 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 роли (наличии) времени и пространства в них. Глава III. Свойства пространства – времени Общие свойства пространства: 1) Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы; 2) Трёхмерность, в соответствии с которой все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, т.е. обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, которое обнаруживается на всех известных структурных уровнях организации материи и органически связано со структурностью систем и их движением. Общие свойства времени: 1) Длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. 2) Необратимость времени — общее свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события — это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. 3) Одномерность времени, проявляющаяся в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Общие свойства пространства и времени проявляются на всех структурных уровнях организации материи. У некоторых классов материальных объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени. Так, в макромире все материальные тела имеют конкретные пространственные формы, размеры, скорости перемещения и т.д. Все материальные тела и процессы имеют конкретную длительность своего существования. Также у материальных тел проявляются разные виды симметрии или асимметрии. В целом пространству присущи свойства изотропности и однородности. Изотропность — это отсутствие выделенных направлений (верх, низ и т.д.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Однородность — это одинаковость свойств пространства по всем направлениям. Но в структуре отдельных тел можно отметить анизотропию (тела расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других) и неоднородность. Изучение пространства и времени продолжается и сегодня. Есть интересные исследования о социальном и биологическом пространстве и времени, гипотезы о природе времени. Заключение Теория относительности позволила сделать громадный шаг вперед в описании окружающего нас мира, объединив бывшие обособленными понятия материи, движения, пространства и времени. Она дала ответы на множество вопросов остававшихся неразрешенными в течение веков, сделала ряд предсказаний подтвердившихся впоследствии, одним из таких предсказаний было предположение сделанное Эйнштейном об искривлении траектории светового луча вблизи Солнца. Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме. Теория относительности основана на основных постулатах: 1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета; 2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. Отсюда можно сделать вывод об основных результатах к которым приходит теория относительности: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс. Представляется уместным привести высказывание основоположника современного представления о пространстве и времени А. Эйнштейна, – «пространство и время являются способом, которым мы мыслим, а не условиями, в которых мы живем», в котором во многом отразилась противоречивость и нерешенность проблемы. Список использованной литературы Аскин Я.Ф. Проблема времени. Её физическое истолкование. – М.: Мысль,1986. Ахундов М. Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы. – М.: Наука,1982. Ахундов М. Д. Пространство и время в физическом познании. – М.: Мысль,1982. Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. – М.: Атомиздат,1977. Горелов А. А. Концепция современного естествознания. – М., 1998. Грушевицкая Т. Г. Концепция современного естествознания. – М.,1998. Еремеева А. И. Астрономическая картина мира и ее творцы. – М., 1984. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Высшая школа, 2001. Потёмкин В.К., Симанов А.Л. Пространство в структуре мира. Новосибирск: Наука,1990. Рейхенбах Г. Философия пространства и времени. – М., 1985. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М., 1967 . Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т. II – М., 1966. |