Азвитие пространственно-временных представлений в классической механике

План

Введение.

Развитие пространственно-временных  представлений в классической механике.

Пространство  и время в теории относительности  А. Эйнштейна.

Единство и  многообразие свойств пространства и время.

Заключение.

Литература.

Введение

Важнейшей задачей  современного естествознания является создание естественнонаучной картины  мира. В процессе ее создания возникает  вопрос о происхождении и изменении  различных материальных объектов 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”. Еремеева А. И. Астрономическая картина мира и ее творцы. - М.: Наука, 1984. С. 157

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”. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. -М..1965.- С. 130. 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”. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. -М.,1965.- С. 126.

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.