Контрольная работа по «Концепциям современного естествознания»

Используя математические методы исследования, вовлекая их в познавательный поиск, науки должны учитывать возможности  математики, считаясь с границами  ее применимости. Имеется в виду то, что сама по себе математическая обработка содержания, его перевод на язык количественных описаний не дает прироста информации.

2. Современные представления о пространстве и времени. Главные выводы специальной и общей теории относительности.

Пространство и время это всеобщие формы существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от неё.

Пространственными характеристиками являются положения относительно других тел (координаты тел), расстояния между ними, углы между различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяжённостью и формой, которые определяются расстояниями между частями объекта и их ориентацией). Временные характеристики - "моменты", в которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов. Отношения между этими пространственными и временными величинами называются метрическими. Существуют также и топологические характеристики пространства и времени - "соприкосновение" различных объектов, число направлений. С чисто пространственными отношениями имеют дело лишь в том случае, когда можно отвлечься от свойств и движения тел и их частей: с чисто временными - в случае, когда можно отвлечься от многообразия сосуществующих объектов.

Однако в реальной действительности пространственные и временные отношения  связаны друг с другом. Их непосредственное единство выступает в движении материи; простейшая форма движения — перемещение — характеризуется величинами, которые представляют собой различные отношения Пространства и времени (скорость, ускорение) и изучаются кинематикой.

Для измерения пространственных и временных величин пользуются системами отсчёта.

Пространственно-временные  отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, характерным для объектов того или иного класса, поскольку эти отношения определяются структурой материального объекта и его внутренними взаимодействиями. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, время жизни, ритмы процессов, типы симметрии, являются существенными параметрами объекта данного типа, зависящими также от условий, в которых он существует. Особенно специфичны пространственные и временные отношения в таких сложных развивающихся объектах, как организм или общество. В этом смысле можно говорить об индивидуальных пространстве и времени таких объектов (например, о биологическом или социальном времени).

Развитие представлений о пространстве и времени в 20 в.

В конце 19 — начале 20 вв. произошло глубокое изменение научных представлений о материи и, соответственно, радикальное изменение понятий пространства и времени. В физическую картину мира вошла концепция поля как формы материальной связи между частицами вещества, как особой формы материи. Все тела, таким образом, представляют собой системы заряженных частиц, связанных полем, передающим действия от одних частиц к другим с конечной скоростью — скоростью света. Полагали, что поле — это состояние эфира, абсолютно неподвижной среды, заполняющей мировое абсолютное пространство. Позже было установлено, что при движении тел с очень большими скоростями, близкими к скорости света, происходит изменение поля, приводящее к изменению пространственных и временных свойств тел; при этом Лоренц считал, что длина тел в направлении их движения сокращается, а ритм происходящих в них физических процессов замедляется, причём пространственные и временные величины изменяются согласованно.

Вначале казалось, что таким путём  можно будет определить абсолютную скорость тела по отношению к эфиру, а следовательно, по отношению к  абсолютному пространству. Однако вся совокупность опытов опровергла этот взгляд. Было установлено, что в любой инерциальной системе отсчёта все физические законы, включая законы электромагнитных (и вообще полевых) взаимодействий, одинаковы. Специальная теория относительности А. Эйнштейна, основанная на двух фундаментальных положениях — о предельности скорости света и равноправности инерциальных систем отсчёта, явилась новой физической теорией пространства и времени. Из неё следует, что пространственные и временные отношения — длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нём процессов — являются не абсолютными величинами, как утверждала ньютонова механика, а относительными. Частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно неё частице как сферическая, а по отношению к налетающей на неё с очень большой скоростью частице — как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного p-мезона составляет ~ 10^-8 сек, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Относительность пространственно-временных характеристик тел полностью подтверждена опытом. Отсюда следует, что представления об абсолютном пространстве и времени несостоятельны. Пространство и время являются именно общими формами координации материальных явлений, а не самостоятельно существующими (независимо от материи) началами бытия. Теория относительности исключает представление о пустых пространстве и времени, имеющих собственные размеры. Представление о пустом пространстве было отвергнуто в дальнейшем и в квантовой теории поля с его новым понятием вакуума. Дальнейшее развитие теории относительности показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс. При переходе к космическим масштабам геометрия пространство-время не является евклидовой (или "плоской", т. е. не зависящей от размеров области пространство-время), а изменяется от одной области космоса к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. Таким образом, развитие физики и астрономии доказало несостоятельность как априоризма Канта, т.е. понимания пространства и времени как априорных форм человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и ньютоновой догматической концепции пространства и времени.

Связь пространства и времени с материей выражается не только в зависимости законов пространства и времени от общих закономерностей, определяющих взаимодействия материальных объектов. Она проявляется и в наличии характерного ритма существования материальных объектов и процессов — типичных для каждого класса объектов средних времён жизни и средних пространственных размеров.

Из изложенного следует, что  пространству и времени присущи весьма общие физические закономерности, относящиеся ко всем объектам и процессам. Это касается и проблем, связанных с топологическими свойствами пространства и времени Проблема границы (соприкосновения) отдельных объектов и процессов непосредственно связана с поднимавшимся ещё в древности вопросом о конечной или бесконечной делимости пространства и времени, их дискретности или непрерывности. В античной философии этот вопрос решался чисто умозрительно. Высказывались, например, предположения о существовании "атомов" времени . В науке 17—19 вв. идея атомизма пространства и времени потеряла какое-либо значение. Ньютон считал, что пространство и время реально разделены до бесконечности. Этот вывод следовал из его концепции пустых протсрантсва и времени, наименьшими элементами которых являются геометрическая точка и момент времени ("мгновения" в буквально смысле слова). Лейбниц полагал, что хотя пространство и время делимы неограниченно, но реально не разделены на точки — в природе нет объектов и явлений, лишённых размера и длительности. Из представления о неограниченной делимости пространства и времени следует, что и границы тел и явлений абсолютны. Представление о непрерывности пространства и времени более укрепилось в 19 в. с открытием поля; в классическом понимании поле есть абсолютно непрерывный объект.

Проблема реальной делимости пространства и времени была поставлена только в 20 в. в связи с открытием в квантовой механике неопределённостей соотношения, согласно которому для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц. В действительности не существует реальных физических условий, при которых можно было бы измерить точное значение напряжённостей поля в каждой точке. Таким образом, в современной физике установлено, что невозможна не только реальная разделённость пространства и времени на точки, но принципиально невозможно осуществить процесс их реального бесконечного разделения. Следовательно, геометрическое понятие точки, кривой, поверхности являются абстракциями, отражающими пространственные свойства материальных объектов лишь приближённо. В действительности объекты отделены друг от друга не абсолютно, а лишь относительно. То же справедливо и по отношению к моментам времени. Именно такой взгляд на "точечность" событий вытекает из так называемой теории нелокального поля. Одновременно с идеей нелокальности взаимодействия разрабатывается гипотеза о квантовании пространства и времени, т.е. о существовании наименьших длины и длительности. Сначала предполагали, что "квант" длины — 10^-13 см. Однако с помощью современных ускорителей заряженных частиц исследуются явления, связанные с длинами 10^-14—10^-15 см; поэтому значения кванта длины стали отодвигать ко всё меньшим значениям (10^-17, "длина" слабого взаимодействия, и даже 10 ^-33 см).

Решение вопроса о квантовании  пространства и времени тесно связано с проблемами структуры элементарных частиц. Появились исследования, в которых вообще отрицается применимость к субмикроскопическому миру понятий пространства и времени. Однако понятия пространство и время не должны сводиться ни к метрическим, ни к топологическим отношениям известных типов.

Тесная взаимосвязь пространственно-временных  свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и  при анализе симметрии пространства и времени. Ещё в 1918 (Э. Нётер) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени — закон сохранения энергии, изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Таким образом, типы симметрии пространства и времени как общих форм координации объектов и процессов взаимосвязаны с важнейшими сохранения законами. Симметрия пространства при зеркальном отражении оказалась связанной с существенной характеристикой микрочастиц — с их чётностью.

Одной из важных проблем пространства и времени является вопрос о направленности течения времени. В ньютоновой концепции это свойство времени считалось само собой разумеющимся и не нуждающимся в обосновании. У Лейбница необратимость течения времени связывалась с однозначной направленностью цепей причин и следствий. Современная физика конкретизировала и развила это обоснование, связав его с современным пониманием причинности. По-видимому, направленность времени связана с такой интегральной характеристикой материальных процессов, как развитие, являющееся принципиально необратимым.

К проблемам пространства и времени, также обсуждавшимся ещё в древности, относится и вопрос о числе измерений пространства и времени. В ньютоновой концепции это число считалось изначальным. Однако ещё Аристотель обосновывал трехмерность пространства числом возможных сечений (делений) тела. Интерес к этой проблеме возрос в 20 в. с развитием топологии. Л. Брауэр установил, что размерность пространства есть топологический инвариант — число, не изменяющееся при непрерывных и взаимно однозначных преобразованиях пространства. В ряде исследований была показана связь между числом измерений пространства и структурой электромагнитного поля (Г. Вейль), между трехмерностью пространства и спиральностью элементарных частиц. Всё это показало, что число измерений пространства и времени неразрывно связано с материальной структурой окружающего нас мира.

Согласно принципу соответствия, в слабых гравитационных полях предсказания общей теории относительности совпадают с результатами применения ньютоновского закона всемирного тяготения с небольшими поправками, которые растут по мере увеличения напряжённости поля.

Первыми предсказанными и проверенными экспериментальными следствиями общей теории относительности  стали три классических эффекта, перечисленных в хронологическом  порядке их первой проверки:

1. Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона.
2. Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца.
3. Гравитационное красное смещение, или замедление времени в гравитационном поле.

Существует ряд других эффектов, поддающихся экспериментальной  проверке. Среди них можно упомянуть  отклонение и запаздывание (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе - Тирринга (прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования чёрных дыр, доказательства излучения гравитационных волн тесными системами двойных звёзд и расширение Вселенной.

До сих пор надёжных экспериментальных свидетельств, опровергающих общую теорию относительности, не обнаружено. Отклонения измеренных величин эффектов от предсказываемых общих теорий относительности не превышают 0,01 % (для указанных выше трёх классических явлений). Несмотря на это, в связи с различными причинами теоретиками было разработано не менее 30 альтернативных теорий гравитации, причём некоторые из них позволяют получить сколь угодно близкие к общей теории относительности результаты при соответствующих значениях входящих в теорию параметров.

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Учёт достижений экспериментальной физики позволяет утверждать, что в пределах своей области применимости – при пренебрежении эффектами гравитационного взаимодействия тел – специальная теория относительности является справедливой с очень высокой степенью точности (до 10⁻¹² и выше). По меткому замечанию Л. Пэйджа «В наш век электричества, вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора неустанно провозглашает справедливость теории относительности — нужно лишь уметь слушать».

3.Открытия, подтвердившие верность теории относительности.

1. Эффекты, связанные с ускорением систем отсчёта.

Первый из этих эффектов - гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу) они находятся. Данный эффект был непосредственно подтверждён в эксперименте Хафеле - Китинга, а также в эксперименте Gravity Probe A и постоянно подтверждается в GPS.