Концепции пространства и времени

Специальная теория относительности.

   Специальная теория относительности, созданная  в 1905 г А. Эйнштейном, стала результатом  обобщения исинтеза 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».

Если бы были найдены абсолютные пространство и  время, и следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы

равноправны

В классической механике Ньютона свойства пространства и времени не зависели от скорости движения тел и от наличия вблизи других тел, однако с появлением специальной теории относительности эти представления изменились.

1. Выражает порядок  смены физических состояний и  явления объективной характеристикой  любого физического процесса  или явления.

Согласно специальной  теории относительности:

• течение времени зависит от скорости движения скоростного отчёта и при скоростях близких к скорости света, возникает релятивистское течение времени.
• нарушается понятие одновременности событий.
• события одновременные для одного наблюдателя оказываются разновременными для другого движущегося относительно него со скоростью близкой скорости света.
• интервал времени в разных системах отсчёта движущегося относительно друг друга различен.

2. Пространства - выражает порядок существования  физических тел согласно «СТО»  объединило пространство и время  в единую четырёхмерную структуру  пространство-время.

Основу СТО  составляют два постулата (принципа):

1. Принцип относительности  Эйнштейна. Этот принцип явился  обобщением принципа относительности  Галилея на любые физические  явления. Он гласит: все физические  процессы при одних и тех  же условиях в инерциальной системы отсчета (ИСО) протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).

2. Принцип постоянства  скорости света. Скорость света  в вакууме постоянна и не  зависит от движения источника  и приемника света. Она одинакова  во всех направлениях и во  всех инерциальных системах отсчета.  Скорость света в вакууме –  предельная скорость в природе.  Это одна из важнейших физических  постоянных, так называемых мировых  констант. 

Основные идеи общей теории относительности.

В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), над которой работал в  течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к  следующему:

• ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);
• распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

Из ОТО был  получен ряд важных выводов:

• Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
• Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
• Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.

Стало ясно, что  абсолютно полную и достоверную  научную картину мира не

удастся создать  никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью. Таким  образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах. Три глобальных революции предопределили три длительных периода развития науки, они являются ключевыми этапами в развитии естествознания. Это не означает, что  лежащие между ними периоды эволюционного  развития науки были периодами застоя. 

4. Кривизна

   В специальной теории относительности  свойства пространства и времени  рассматриваются без учета гравитационных полей. Они не являются инерциальными. По общей теории относительности  массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Масса изменяет структуру самого пространства — оно как бы искривляет его, делая кратчайшим расстоянием  уже не прямую, а кривую линию. Кривизна пространства — времени меняется в зависимости от распределения тяжелых масс, от величины их гравитационных полей.

В течение  продолжительного времени казалось совершенно естественным и логичным описывать свойства пространства с  помощью геометрии, важнейшие элементы которой сформулировал еще в  начале III в до н. э. древнегреческий математик Евклид. Однако плоская геометрия Евклида оказалась частным случаем сферической геометрии, когда кривизна пространства равна нулю. Возможны случаи пространств с положительной и отрицательной кривизной. Геометрия пространства с положительной кривизной характерна сферической поверхности, на которой кратчайшим расстоянием между двумя точками являются дуги больших кругов, передвигаясь по которым мы вернемся к исходной точке. Такой тип геометрии разработан в 1854 г. немецким математиком Бернгардом Риманом. Геометрия пространства с отрицательной кривизной имеет сферические линии с бесконечной протяженностью. Эта геометрия разработана в 1826 г. Н. Лобачевским. Одно из следствий общей теории относительности состоит в том, что свет, обладая инертной массой, теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения испускающего его тела и что потеря светом энергии означает увеличение длины его волны. Этот эффект называется гравитационным красным смещением. Гравитационное красное смещение является прямым следствием замедления течения времени в гравитационных полях. Такое смещение наблюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд, например Сириуса. Относительно системы отсчета, имеющей ускоренное движение, световой луч не будет двигаться прямолинейно, ибо в этом случае он будет находиться в поле тяготения. Следовательно, в поле тяготения световые лучи распространяются криволинейно. Этот результат имеет важнейшее значение для проверки и обоснования общей теории относительности. Для полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить экспериментально, но если такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, то его отклонение можно измерить. Впервые такие измерения были сделаны во время полного солнечного затмения в 1919 г., и они полностью подтвердили предсказания общей теории относительности. 

5. Многомерность пространства

Прежде всего  пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин -координат.          В прямоугольной декартовой системе координат это - X, У, Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат- радиус-вектор r и углы а и р.     В цилиндрической системе - высота z, радиус-вектор и угол а.

В науке используется понятие многомерного пространства (n-мерного). Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному  пространству оно не имеет отношения. Каждая координата, например           6-мерного пространства, может указывать  на какое-то любое свойство рассматриваемой  физической реальности: температуру, плотность, скорость, массу и т.д. В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время - необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему.  

6. Четырёхмерное пространство 

1907-1908 гг. немецким  ученым Минковским было введено  4-мерное псевдоевклидово пространство, получившее впоследствии название  пространства или мира Минковского.  Псевдоевклидовым оно оказалось  потому, что его метрика отличалась  от традиционной евклидовой.                                

Например, по Евклиду, расстояние между двумя точками  равно 0, только когда точки совпадают (равны их соответствующие координаты). В пространстве Минковского нулевой  пространственно-временной интервал может быть и для несовпадающих  событий. Мировой линией в пространстве-времени называется линия точек 4х-пространства или событий, принадлежащих одному и тому же объекту. Если объект покоится, его мировая линия будет вертикальна. Для прямолинейно равномерно движущегося объекта его мировая линия будет прямой. Именно здесь мы сталкиваемся с нетривиальной метрикой пространства Минковского. Математически доказано, что пространственно-временной интервал инвариантен (сохраняет свое значение) при рассмотрении его в различных ИСО. Это указывает на абсолютный характер мира Минковского. Точно так же, как абсолютно расстояние между двумя точками в 3х-пространстве без времени, так же абсолютен 4х-интервал в пространстве-времени. Пространство и время относительны, если их рассматривать по отдельности, но в единой системе они дают абсолютное 4х-пространство. Четырехмерные интервалы разделяют на три класса: времениподобные, пространственноподобные, и изотропные.

• Времениподобными интервалами разделяются события, происходящие с одним и тем же объектом, и события, связанные причинно-следственной связью. Такие события всегда строго идут друг за другом по времени.
• Пространственноподобный интервал никогда не сможет разделять события, произошедшие с одним и тем же объектом, а так же события, связанные причинно-следственной цепочкой. Эти события не имеют строгий порядок возникновения. Такие как вспышка на Солнце и вспышка на Луне.
• Для третьего типа интервалов относятся такие события, как например,  распространение света или другого взаимодействия (гравитационного, электромагнитного). То есть 4х-интервал между событием возникновения взаимодействия (испускания) и событием принятия его какой-либо точкой пространства равен нулю.

Разделение интервалов на изотропные, пространственно- и времениподобные является абсолютным, т.е. одинаковым для всех ИСО. Вполне возможно, что могут быть разработаны иные модели пространства-времени. Но почти уже столетняя история мира Минковского и относительная простота его структуры говорят сами за себя. 

7. Системность пространства-времени.

Системный анализ — научный метод познания, представляющий собой последовательность действий по установлению структурных связей между переменными или элементами исследуемой системы. Опирается  на комплекс общенаучных, экспериментальных, естественнонаучных, статистических, математических методов. Этот принцип  в основе современных представлений  о мире. Мир – как  особая целостность, состоящая из элементов и связей между этими элементами.

Система–«целое»–объединение некоторого разнообразия в единое и  четко расчлененное целое, элементы которого по отношению к целому и  другим частям занимают соответствующие  им места.

Структура- «строение, связь, порядок»- совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его  целостность. Структура–скелет объекта, обеспечивающий его устойчивость.

Структурность – системная организованность внутренне расчлененного материального мира.

Время–форма бытия  материи, которая выражает длительность существования материальных объектов и последовательность изменений (смены состояний) данных объектов в процессе их развития.

Пространство- форма  бытия материи, которая характеризует  ее протяженность, структуру, взаимодействие элементов внутри материальных объектов между собой.

Время и пространство тесно переплетены между собой. То, что совершается в пространстве, одновременно совершается и во времени, а то, что происходит во времени, находится в пространстве. 

8. Симметрия В.И. Вернадского

Симметрия - одно из свойств, пространства и времени. Это свойство заключается в переходе объектов в самих себя или друг в друга при осуществлении определенных преобразований. В наиболее широком смысле симметрия - свойство неизменности (инвариантности) отдельных сторон, процессов и отношений объектов относительно некоторых преобразований. Симметричными могут быть вещи, процессы, геометрические фигуры, математические уравнения, живые организмы, произведения искусства и т.д. Преобразования симметрии могут быть и реальными, и мысленными (пространственный сдвиг, вращение, зеркальное отражение в пространстве, зарядовое сопряжение, замена частицы на античастицу). В.И. Вернадский видел в симметрии ключ к разделению живой и неживой природы, указывая на то, что правизна и левизна в мире кристаллов не играют принципиальной роли, а для живых организмов наблюдается иная картина.