Простейшая симметрия (асимметрия) в пространстве и времени

Содержание 

Введение                                                                                                               3

1. Развитие  представлений о пространстве  и времени.                                     4

2. Пространство  и время в теории относительности  А. Эйнштейна.               8

3. Симметрия  и законы сохранения.                                                                    12

Заключение                                                                                                             15

Список  литературы                                                                                                16                                                                                 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                       Введение

     Важнейшая задача естеcтвознания - создание  естественно- научной картины мира, образующей в целом упоpядоченную систему, которая по мере pазвития науки уточняется и дополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-втоpых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.

     Выделение общего ведет к абстракциям,  т.е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой-

общие свойства природы. Такими понятиями  и концепциями оперирует в  первую очередь физика как фундаментальная  основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся  материя, движение, пространство и время. В этом реферате будет уделено  внимание понятиям пространство и время.

     Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи  являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно и опосредовано связаны с измерением длин и длительностей, т.е.  пространственно – временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубления знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени. 
 
 
 
 
 

                      Развитие представлений о пространстве и времени.

     Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли

длинный путь становления и развития. Уже  в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, однако их

рассуждения носили стихийный и нередко противоречивый характер. Реальный эмпирический базис  и строгое теоретическое описание представления о пространстве и  времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и классической науке Нового времени. Это было связано  с развитием механики, которая  описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени. Вершиной классического  естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно Ньютон в своей знаменитой книге «Математические начала натуральной  философии» ввел господствовавшие в  науке до начала XX в. понятия пространства и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Раскрывая  сущность пространства и времени, Ньютон

предложил различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и

время.

     Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя

и всего  существующего в мире. Оно безотносительно  к чему бы то ни было

внешнему, всегда остается одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее

относительно  некоторых тел и в обыденной  жизни принимается за пространство неподвижное.

     Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему – либо внешнему протекает равномерно. Абсолютное время можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

     Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это — минута, час, день, месяц, год.

     С точки зрения этой концепции  абсолютные пространство, время  и материя представляют три  независимые друг от друга  сущности. Некоторые философы и  ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный  соперник Ньютона Г. Лейбниц.  Он  выступил с критикой субстанциальной  концепции и отстаивал принципы  реляционной теории пространства  и времени, считая «пространство,  так же как и время, чем-то  чисто относительным: пространство  — порядком существований, а  время- порядком последовательностей. Ибо пространство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия».

     Лейбниц рассматривал пространство  как порядок сосуществования  тел, а время — как порядок  отношения и последовательность  событий. Иными словами, он  говорил о неразрывной связи  материи с пространством и  временем. Однако взгляды Лейбница  не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона.  Сформулированные им законы движения  и закон всемирного тяготения,  ставшие основой классической  механики, основывались на понятиях  абсолютного пространства и времени.  Поэтому на некоторые недостатки  идей Ньютона предпочли не  обращать внимания. 

      К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Так, согласно идее английского математика В. Клиффорда, высказанной в 1870-х гг., многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со временем, а физику можно представить как некоторую геометрию. Клиффорд предложил нечто вроде полевой теории материи, где материальные частицы представляют собой сильно искривленные области пространства, а «изменение кривизны пространства и есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи, будь она весомая или эфирная». Вследствие искривления пространства действительная геометрия мира подобна «холмам» на ровной местности, а перемещение частиц материи есть не что иное, как перемещение «холма» от одной точки к другой. Клиффорд принадлежит к ряду немногочисленных в XIX в. провозвестников эйнштейновской теории гравитации.

     В середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсолютного пространства и времени относительными.          Тем не менее утверждение новых взглядов на пространство и время произошло только в начале XX в. после создания А. Эйнштейном теории относительности. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, свойства материальных тел, существующие только вместе друг с другом и с движущейся материей.

                             Свойства пространства и времени.

      Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней. Однако в истории науки и философии существовал и другой взгляд на пространство и время — только как на субъективные всеобщие формы нашего созерцания.

  Согласно  этой точке зрения, пространство и  время не присущи самим вещам, а зависят от познающего субъекта. В данном случае преувеличивается относительность нашего знания на каждом историческом этапе его развития. Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И. Канта.

  Пространство  и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развертывается в пространстве.

  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 b. 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 последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 — пространственных и 1 — временное. Затем из них возникает 4-мерный континуум (лат. continuum — непрерывное, сплошное).

  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. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необратимость времени и его направленность определяются причинной связью, так как причина всегда предшествует следствию. Однако очевидно, что понятие предшествования уже предполагает время. Более прав поэтому Г. Рейхенбах, который пишет: «Не только временной порядок, но и объединенный пространственно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры Вселенной»^.

    Необратимость времени не была  осмыслена и в теории относительности А. Эйнштейна. В том виде, в каком время входит в принципы теории относительности, оно не содержит различие между прошлым и будущим. Во второй половине XX в. с появлением синергетики и физики неравновесных процессов появилась возможность математическим путем объяснить существование стрелы времени. При этом синергетика исходит из следующих положений.

1. Все системы, допускающие несводимое вероятностное описание, будут считаться хаотическими, так как эти системы можно описать не в терминах отдельных траекторий, а только в терминах пучков (ансамблей) траекторий.
2. Хаос позволяет включить стрелу времени в фундаментальное описание материальных систем.

     Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время — однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность — в равноправии всех направлений. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую можно принимать за начальную.

  Указанные свойства пространства и времени  связаны с главными законами физики — законами сохранения. Если свойства системы не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон сохранения. Это — одно из существенных выражений симметрии в мире. Симметрии относительно сдвига времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии в отношении поворота координатных осей (изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса, или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-временного интервала, его инвариантность и абсолютность по отношению ко всем системам отсчета.

  Особо следует сказать о структуре  микропространства и мега-пространства. Микропространство является квантованным, ему присуща ячеистая структура. Специфика микропространства связана и с существованием виртуальных частиц, взаимным превращением элементарных частиц, их аннигиляцией. В микромире действует больше, чем в макромире, законов сохранения. Одна и та же элементарная частица может плодчиняться нескольким законам сохранения².

  В мегамире метрические свойства пространства зависят от распределения полей тяготения. Чем больше поле тяготения, тем сильнее сокращается протяженность пространственных объектов. При этом пространство, как уже отмечалось выше, оказывается не плоским, а приобретает кривизну. Кривизна пространства увеличивается по мере приближения к областям с повышенной плотностью материи.