Концепции современного естествознания_Бочкарев А.И, Бочкарева Т.. Учебник для студентов вузов А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов под ред проф. А. И. Бочкарёва. Тольятти тгус, 2008. 386 с
 Скачать 2.96 Mb.
|
|
Стрела времени На существование парадокса времени было обращено внимание почти одновременно с естественнонаучной и философской точек зрения в конце XIX века. В работах философа Анри Бергсона время, или «длительность», играют главную роль при обсуждении взаимоотношений между человеком и природой, а также пределов науки. Наука успешно развивалась только в тех случаях, когда ей удавалось свести происходящие в природе процессы к монотонному повторению. Но всякий раз, когда наука пыталась описывать созидающую силу времени, возникновение нового, она неизбежно терпела неудачу. Согласно Бергсону, наше понимание природы должно опиратьсяне на объекты, выделенные наукой вследствие их повторяющегося временного поведения, а на наш субъективный собственный опыт, который является в первую очередь и по большей части опытом длительности и творчества. Проблема времени была частью нового осознания становления как фундаментальной категории умопостигаемости. В XIX веке возникли две концепции времени. Одна из них восходит к динамике, другая – к термодинамике. С точки зрения классической динамики время отнюдь не означает становления. Возникло противоречие теорий: обратимые во времени законы динамики против второго начала термодинамики, связанного с необратимой эволюцией к равновесию. Из классической динамики вытекает отрицание стрелы времени. Принцип, которым руководствовались Галилей, Гюйгенс был явно сформулирован Лейбницем, который назвал его «принципом достаточного основания». Этот принцип утверждает, что в природе «полная» причина любого превращения эквивалента его «полном» следствию.До Больцмана принцип достаточного основания традиционно приравнивался детерминистической связи между причиной и следствием. Эквивалентность между причиной и следствием, требуемая принципом достаточного основания, является важнейшим исходным пунктом. Обратимых процессов в мире не бывает. Мы живем в «невероятном» мире, и «стрела времени», указывающая на различия между прошлым и будущим – следствие из этого факта. Почему все выглядит так, будто одна единственная стрела времени управляет всем наблюдаемым миром? Открытие самоорганизации, детерминированного хаоса указывают направление науки с ориентированным временем, свободной от парадокса времени, квантового парадокса и космологического парадокса. Пространство и время в греческой натурфилософии Наиболее видные представители античного естествознания – Демокрит и Аристотель – высказали следующие суждения о пространстве и времени. Демокрит считал, что все природное многообразие состоит из мельчайших частиц материи – атомов, которые двигаются в пустом пространстве. Поэтому атомы и пустота являются первоначалами мира, и пустота — это особый род бытия. Пустое пространство Демокрита – арена действия атомов, некий «ящик», в котором они заключены и который может существовать независимо от атомов. пространство является бесконечным, и атомы двигаются в нем бесконечное время. Наряду с бесконечным пространством атомисты рассматривали и дискретные единицы пространства – амеры, которыми характеризовали пространственный минимум, занимаемый минимумом материи – атомом. Таким образом, у Демокрита мы сталкиваемся с двумя пространствами: непрерывным физическим пространством как вместилищем материи в целом и дискретным пространством как масштабной единицей протяженности единицы материи – атома. В соответствии с атомической концепцией пространства Демокрит решал и вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром, который исходил из дискретного характера пространства и времени. Рассматривая равномерное движение, Эпикур считал, что в процессе перемещения атомы проходят один «атом» пространства за одни «атом» времени. Аристотель больше внимания уделял анализу существования времени, затем трансформировал его в вопрос о существовании делимого времени. Наконец, уделяя основное внимание взаимосвязи времени идвижения, он показал, что время немыслимо, не существует без движения. Аристотель указывал, что понятие времени вырабатывалось в результате наблюдений реальных процессов: «…мы время распознаем, когда разграничиваем движение, определяя предыдущее и последующее, и тогда говорим, что протекло время, когда получим чувственное восприятие предыдущего и последующего в движении». В другом месте он говорит, что «мы не только измеряем движение временем, но и время движением, вследствие их взаимного определения, ибо время определяет движение, а движение – время». Аристотель не отрывал время от процессов, происходящих в реальных телах. Что касается понятия пространства, то Аристотель также отмечал неразрывную связь движения и пространства. Он нащупывает связь между пространственными и материальными отношениями: пространственные отношения – это материальные отношения, если нет материальных тел – нет и пространства. И если у атомистов пустое пространство является вместилищем материальных атомов, то у Аристотеля «пустоты быть не может». Позже математическая теория пространства была развита другим древнегреческим ученым Евклидом (Евклидова геометрия), которая в дальнейшем была широко использована многими поколениями ученых при построении физических картин мира. Пространство и время в классической физике Идеи Демокрита, приписывающего пустоте особый род бытия, были развиты и в наиболее полной форме воплощены в ньютоновских понятиях абсолютного пространства и абсолютного времени. Согласно Ньютону, абсолютные пространство и время представляют собой самостоятельные сущности, которые не зависят ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов. И. Ньютонследующим образом определяет абсолютные пространство и время в своих «Началах»: .. .Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и недвижимым. Пространство и время в специальной теории относительности (СТО) В специальной теории относительности А. Эйнштейна выявилась взаимозависимость пространственных и временных характеристик объектов, а также их зависимость от скорости движения относительно определенной системы отсчета. Коренным отличием СТО от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов шмжения материи, структура которых зависит от природы самого движения и является его функцией. Рассматривая относительность длин и промежутков времени, А. Эйнштейн приходит 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». В связи с этим возникла необходимость преобразований координат (положения тел) и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяженности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчета. Выяснились относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени, инвариантность пространственно-временного интервала. Важный вклад в понятие «равноправности» пространства и времени внес Г. Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырехмерного континуума (три пространственных координаты и одна временная). С этой точки зрения разделение пространства и времени не имеет смысла. В соответствии с СТО статусом самостоятельной субстанции природы является единое четырехмерное пространство-время. Пространство и время в общей теории относительности (ОТО) Еще более сложную связь, по сравнению с СТО, между пространством и временем, с одной стороны, и движением и материей (массой вещества) – с другой, была установлена А. Эйнштейном в рамках созданной им общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что наличие в пространстве материальных тел (масс тел) приводит к изменению структуры пространства и оно искривляется. Поэтому для пространственно-временного описания событий в ОТО необходима другая геометрия пространства – неевклидова геометрия. При разработке ОТО А. Эйнштейн положил основу геометрию искривленного пространства, разработанную ранее немецким математиком Б. Риманом . Таким образом, в ОТО А. Эйнштейн доказал, что структура четырехмерного пространства-времени определяется распределением масс материи. Сам А. Эйнштейн так определил суть ОТО: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе в вещами исчезли бы пространство и время. Следует подчеркнуть, что в ОТО находит наиболее полное воплощение современное представление о пространстве и времени как формах существования материи. Общая теория относительности – это теория тяготения, теория гравитационного поля. Ее законы проявляются в основном в космических масштабах. Новые свойства искривленного пространства-; времени поставили целый ряд новых вопросов и проблем в космологии и космогонии. Это, например, вопросы однородности и изотропности в искривленном пространстве, вопросы конечности бесконечности Вселенной и ряд других. Пространство и время в физике микромира Еще более углубились представления о пространстве и времени в связи с изучением микромира квантовой механикой и квантовой теорией поля, выявившими тесную связь структуры пространства-времени с материей. Например, по-иному следует понимать пустоту — вакуум. В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглощающихся фотонов, электронно-позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривается 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 (вакуум) — это одно из состояний материи. Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется ее нулевой плотностью. Минимум ее оказался равным уровню осциллятора 0,5 hν. Допустив скромные 0,5 hν для каждой отдельной волны, — пишет известный академик физик-ядерщик Я. Зельдович, — мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии. Эта бесконечная плотность энергии пустого пространства таит в ебе огромные возможности, которые еще предстоит освоить физике. Продвигаясь вглубь материи, там, где определяющую роль играют глюоон-кварковые взаимодействия, становятся совершенно иными пространственно-временные понятия. Специфике микромира не соответетствуют обыденные представления о соотношении части и целого, нарушается пространственная и временная четность, т.е. правое и иное пространственные направления оказываются неэквивалентными. Все эти и многие другие особенности пространства и времени в микромире являются фундаментальными проблемами современной теоретической физики. 2.4.4. Современные взгляды на пространство и время Ранее мы выяснили, какие из свойств пространства и времени являются универсальными (всеобщими), а какие – специфическими (их всеобщность не доказана). Отнесение к специфическим характеристикам некоторых свойств пространства и времени еще не означает, что где-то опытным путем найдены исключения. Однако логика стремительного развития естествознания последнего столетия свидетельствует о том, что подобные открытия возможны. Существуют веские основания считать, что на глубинных уровнях микромира пространство и время прерывны и подобно материи квантованы», т.е. складываются из неделимых «порций». Прогнозируемый квант пространства может иметь размер порядка 10–33 см (порядка планковской длины, характеризующей масштаб проявления квантовых свойств), но до реального проникновения в мир таких масштабов современной науке еще далеко. Немало сомнений возникает и по поводу универсальности пространства, насчитывающего только три измерения, поскольку построены теоретические модели многомерных пространств (в теории супергравитации, например, использовано одиннадцать измерений; пространства-времени). То же самое можно сказать и о времени. Сейчас уже не считается универсальной характеристикой однонаправленность времени от прошлого к будущему. Так, в модели «пульсирующей Вселенной» предполагается, что ныне наблюдаемое расширение Вселенной может при определенных условиях смениться сжатием. А в описывающих эту фазу ее эволюции математических уравнениях время сменит свой знак с положительного на отрицательный, т.е. как бы «потечет вспять». Имеется и целый ряд других парадоксальных, с нашей точки зрения, явлений. Универсальные же свойства пространства и времени экспериментально подтверждены более надежно. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единое четырехмерное пространственно-временное многообразие (пространство-время). Кроме того, СТО установила зависимость свойств пространства-времени от скорости движения тел. Общая теория относительности (ОТО) привела к не менее фундаментальному выводу относительно пространства-времени. Его общий смысл таков: метрические свойства пространства-времени определяются распределением и движением тяготеющих масс материи, и наоборот, силы тяготения в каждой точке пространства зависят от: его метрики. Таким образом, пространство и время существуют «сами по себе», а в тесной зависимости от свойств материи. 2.5. Принципы относительности 2.5.1. Принцип относительности в классической механике Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г. Галилеем и окончательно сформулированный в механике И. Ньютоном. Для его понимания потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета и с которым может быть жестко связана система координат. Таким образом, механическое движение тогда относительно, и его описание зависит от того, по отношения к какой системе координат оно рассматривается. Среди систем отсчета особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо равномерном и прямолинейном движении. Смысл принципа относительности Галилеязаключается в том, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи. По существу, это означает, что из совокупности инерциальных систем невозможно выделить какую-либо одну преимущественную систему. Например, на судне, движущемся равномерно, тело, выпущенное из рук, падает вертикально вниз независимо от того, стоит судно или движется; вода, налитая в сосуд, на движущемся судне, как и в покое, имеет горизонтальную поверхность; на движущемся корабле при выстреле пуля летит столько же времени от носа к корме, сколько от корме к носу, и т.д. Для описания механических движений в разных инерциальных системах координат обычно пользуются так называемыми преобразованиями Галилея, которые выражают связь координат материальной точки в условно движущейся (х', у', z') со скоростью Vв момент времени tи условно неподвижной (x,y,z) системах координат Очевидно, что координаты точки А в движущейся системе (х', у', z') связаны с координатами этой же точки в неподвижной системе (х,y,z) следующими соотношениями х' = x-Vt; у' = у, z' = z. В классической механике, например, закон сложения скоростей выглядит следующим образом. Пусть материальная точка А движется в системе координат х', у', z' со скоростью U, а сама система координат (х', у', z') движется со скоростью Vотносительно системы координат (х, у, z). Тогда в системе координат (x,y,z) точка А будет двигаться со скорость W = U + V . Действительно, по определению скоростьU = х = х ±Vt(преобразование Галилея). Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как координаты тела, скорость, импульс, кинетическая энергия, изменяются. А такие величины, как время, масса, ускорение, сила, и, следовательно, все законы Ньютона, при подобных преобразованиях остаются неизменными, т.е. инвариантными. Это и отражено в механическом: принципе относительности Галилея. 2.5.2. Специальная теория относительности После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи – электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея на электромагнитные явления, т.е. сохраняется ли вид уравнений Максвелла при рассмотрении их в различных инерциальных системах координат. Оказалось, что если воспользоваться преобразованиями координат Галилея, то вид уравнений Максвелла не сохраняется. Это приводило к далеко идущим выводам, в частности, к фундаментальному выводу о том, что законы; движения двух материальных субстанций – вещества и поля – существенно различны. В виду важности этого обстоятельства начался период длительного и всестороннего рассмотрения данного вопроса, как в части экспериментального подтверждения такого заключения, так и в части анализа уравнений Максвелла. Одно из направлений исследований уравнений Максвелла, проведенных Лоренцем, показало, что можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (х,у,z, t) к другой (х', y',z',t')инерциальной системе координат, если преобразование координат и времени произвести в соответствии со следующей схемой, которую сейчас называют преобразованиями Лоренца: В дальнейшем оказалось, что соотношения Лоренца на самом деле имеют очень глубокое физическое содержание, а вначале преобразования Лоренца только вызвали целый ряд недоуменных вопросов. Например, из формул Лоренца следовало, что: пространственные и временные преобразования не являются независимыми: в преобразование координат входит время, а в преобразование времени – координаты, что было совершенно непонятно; время в разных системах координат течет по-разному. Все возникшие противоречия разрешил А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Он выдвинул новую радикальную идею о связи пространства и времени. Найденное Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – совершенно различные и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, реальный мир представляет собой не трехмерное, а четырехмерное пространство, поскольку оно также должно включать время, так как пространственные и временные координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство-время. Затем анализ принципа относительности Галилея привел А. Эйнштейна к выводу, что этот принцип является одним из фундаментальных законов, который применим не только к механическим, но и к любым другим явлениям природы – тепловым, электромагнитным, оптическим и т.д. В результате Эйнштейн сформулировал два постулата, легшие в основу специальной теории относительности: Принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом. Принцип постоянства скорости света, утверждающего, что во всех инерциальных системах скорость света с одинакова и равна с= 108 м/с. Первый принцип, по сути, распространяет принцип относительности Галилея для законов механики на законы электродинамики.  Второй принцип основан на уже достаточно хорошо установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света.Специальная теория относительности Эйнштейна привела к необходимости пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства и времени, материи и движения. Оказалось, что: с увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается масса по законам:    где L0 и М0– линейные размеры и масса тела в состоянии покоя. Независимость скорости света ни от направления распространения, ни от скорости источника ставит точку в спорах относительно существования «мирового эфира», возмущениями которого являются электромагнитные волны. Таким образом, инвариантность скорости света является существенным подтверждением принципа относительности. Установлена новая фундаментальная связь между энергией массой материальных тел, выражающаяся соотношением Е = тс2. Из СТО, как видно, следует, что время, линейные размеры и масса тел являются относительными. Их величина зависит от того, в какой инерциальной системе координат мы их рассматриваем. Оказывается, время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, промежуток времени между какими-либо двумя событиями будет зависеть от выбора системы координат, и, следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе координат, будут не одновременными в других системах отсчета. Как и в механике Ньютона, в СТО считается, что пространстве однородно и изотропно, а время однородно. Но если в механике Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство-время. Одно из следствий СТО – новый (по сравнению с классической механикой) закон сложения скоростей. Основанная на инвариантности скорости света специальная теория относительности приводит к интересным результатам, которые подтверждаются практикой. Прежде всего, это «парадокс близнецов», а также тот факт, что скорость сигнала, несущего информацию, не может превышать скорость света. Из закона сложения скоростей следует, что если скорость света в какой-либо системе координат равна с, то она будет такой же и ппюсительно любой другой инерциальной системы координат. Действительно, если Ух=с и F0=c, то Vx>с, т.е. при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Таким образом, скорость света является максимально возможной скоростью в природе. Из приведенных соотношений относительно длины, времени, массы видно, что эффекты СТО могут быть заметны только при скоростях, близких к скорости света, если же V, т.е.V/с «1, то так называемые релятивистские эффекты становятся малы, ими можно пренебречь и тогда релятивистская механика Эйнштейна переходит в классическую механику Ньютона. В заключение следует подчеркнуть, что все выводы СТО в настоящее время нашли полное экспериментальное подтверждение. |