КСЕ

СЕВЕРО-ЗАПАДНАЯ АКАДЕМИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ

КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И

ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ

 

Реферат

на тему:

 Современные концепции
пространства и времени.



                                      Выполнила:

                                                                   Кочина

    Алина Валерьевна

ГиМУ 13з

                                    Проверил:

Санкт-Петербург

2000

  

                                         План.


1.  Введение.

2.  Развитие пространственно-временных представлений в классической механике.

 

3.  Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна.


4.  Единство и многообразие свойств пространства и время.

 

5.  Заключение.


6.  Литература.

                              Введение.

Важнейшей задачей современного 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. Физические химические и другие величины непосредственно связаны с изменением длин и длительностей т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Выделение и фиксация во времени части пространства дает состояние объекта. Упорядоченная последовательность состояний  объекта составляет процесс его развития (жизни существования) во времени. Философия определяет пространство и время как всеобщие формы существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее.  Для их описания в естествознании исторически формировались различные представления о пространстве и времени.

Современное понимание свойств пространства-времени исходит из знаменитых открытий величайших физиков Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879) и Альберта Эйнштейна (1879-1955).

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 составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.

При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия существующими вне и независимо от каких-либо материальных процессов как универсальные условия в которые помещена материя.

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. Он вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени Бог существует в вечности которая является  атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество он создал мир из ничего творит материю а вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. 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 атрибут Бога и его бесконечная везде сущность. Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном Аврелием Августином Фомой Аквинским и их последователями. Ньютон также разделял эти взгляды.

В этих воззрениях даже с теологической точки зрения содержаться глубокие противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обреченность его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу совершенству и мудрости Бога. 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 все множество этих идей создавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идей 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. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего реальностей подвластных только Богу.

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.

Именно это понимание взаимодействия и пространства развивавшееся в рамках классической физике было унаследовано и развито далее в XX веке после крушения гипотезы эфира в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

Пространство и время в теории                   относительности А. Эйнштейна.

Специальная теория относительности созданная в 1905 г. А. Эйнштейном стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - 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”.[1]

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”.[2] Такие системы называются инерциальными поскольку движение в них подчиняется закону инерции:  “Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил”.[3]

Из принципа относительности следует что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

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.

Если классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета как инерциальных так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета движущиеся с замедлением или ускорением.

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.

Находясь в сопутствующей системе отсчета то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы нельзя заметить эти эффекты которые называются релятивистскими так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше чем на Земле и это различие будет тем больше чем дальше совершается полет а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее минуя промежуточное время поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10-6 - 10-15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью близкой к скорости света то временные процессы в нем замедляются период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз) и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.

Итак специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Но почему так важна эта скорость что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе предельная скорость физических взаимодействий. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями она абсолютна всегда одна и та же и говоря о ней нам не нужно указывать систему отсчета.

Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природы для скорости распространения любых волн любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.

“Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость равную скорости света требуется бесконечное количество энергии и именно поэтому физически невозможно чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее нежели квадрат ее скорости и становится бесконечной для скорости равной скорости света”[4]. Поэтому часто говорят что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

Со скорость света тесно связано решение проблемы одновременности которая тоже оказывается относительной то есть зависящей от точки зрения. В классической механике которая считала время абсолютным абсолютной является и одновременность.

В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты возникающие под действием гравитационных сил эквивалентны эффектам возникающим под действием ускорения. Так если ракета взлетает с ускорением 2g то экипаж ракеты будет чувствовать себя так как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. 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 ничего нет.  Замедление  вблизи Солнца составляет около 0 0002 с.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремится к бесконечности а ее частота - к нулю.

Со светом испускаемым Солнцем это могло бы случится если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км). Из-за  такого сжатия сила тяготения на поверхности откуда и исходит свет возрастает на столько что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.

С нашим Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. Но другие звезды массы которых в три и более раз превышают массу Солнца в конце своей жизни и действительно испытывают скорее всего быстрое катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения.

Страницы: 1 2