Пространство и время в естествознании

 

ФГБОУ ВПО «МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского»

 

 

 

 

Реферат

По теме: «Пространство и время в естествознании»

 
Выполнил студент I курса

Факультет №6 (Инженерно- Экономический)

Кафедра «Финансовый менеджмент»

Группа 6МЕН-1ДБ-262

 

 

Андреев Максим

 

 

 

 

 

 

2013 г. 

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.

Реальный эмпирический базис и  строгое теоретическое описание представления о пространстве и  времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и в классической науке Нового времени. Это было связано  с развитием механики, которая  описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в 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 в своей книге «Математические начала натуральной философии» сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

    Абсолютное пространство — универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

     Относительное пространство — ограниченная подвижная часть, которая в обыденной жизни принимается человеком за пространство неподвижное.

      Абсолютное время — универсальная длительность любых процессов во Вселенной протекает равномерно.

      Относительное время 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 независящие друг от друга сущности.

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.

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”.

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”.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”.

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 течение 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”. Поэтому часто  говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.