Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Октября 2013 в 17:08, доклад
Понятия пространства и времени.
Теории относительности:
Принцип относительности Г. Галилея.
Специальная теория относительности.
Общая теория относительности.
Теория относительности А. Эйнштейна.
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
1.ПОНЯТИЯ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ.
Когда говорят, что явления природы и физические процессы происходят в пространстве и времени, подразумевают при этом, что для их описаний требуется указать места, где они происходят, и время, когда происходят.
В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объёма и протяжённости.
Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.
Реальное физическое пространство принимается трёхмерным, а время одномерным. Поэтому, положение произвольной точки задаётся тремя числами и параметрами, а время - одним числом.
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твёрдых физических тел, занимающих определённый объём. 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 нём были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.
Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и даёт им следующую типологическую характеристику:
Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекая 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. Остаётся 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.
Таким образом, по мнению Ньютона, пространство и время обладают абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов, но не обладают способностью порождать различные тела.
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 внепространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он вечен в своём бесконечном совершенстве и всемогуществе. К нему неприемлема категория времени. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, он создает мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нём при творении божественный план развития и его существование прекратится, а вместе с миром исчезнут пространство и время. Подобные взгляды выражались в общем виде ещё Платоном, Аристотелем, Августином, Фомой Аквинским и их последователями. Ньютон также разделял их взгляды.
В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержатся глубокие противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обречённость его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществ, 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 реализовалось бы определенная идея, данная этому миру Богом, а все множество этих идей создавало бы бесконечное пространство и время. Подобная идея, высказанная в общем виде еще александрийским теологом Оригеном, и объявленные вскоре ересью, в Новое Время развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциально возможных миров.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А.Эйнштейна.
2. ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.
1). Принцип относительности Г. Галилея.
Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности, сформулированный ещё Г.Галилеем: во всех инерциальных системах отсчёта движения тел происходит по одинаковым законам. Инерциальными называются системы отсчёта, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.
Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами.
Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля. Он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не сталкиваются у задней ее стенки, а спокойно летают по всему объёму. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадёт прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадёт ближе к корме.
Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.
Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием заявит, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и при том с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится?
На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнёра. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблём.
Следовательно, понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указанна точка отсчёта.
2). Специальная теория относительности.
Если классический принцип утверждал инвариантность (неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчёта к другой) законов механики во всех инерциальных системах отсчёта, то в специальной теории относительности данный принцип был распространён также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчёта, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчёта, движущиеся с замедлением или ускорением.
В неинерциальных системах пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300.000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.
Так, например, если корабль типа фотонной ракеты отправляется к далёким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдёт существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полёт, а скорость корабля будет ближе к скорости света.
Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесётся в близкое или более отдалённое 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 – 10-15с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшие расстояния от места рождения. Всё это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам бегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нём 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 ещё одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.
Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе.
Представим себе эксперимент: большой спутник движется по орбите вокруг Земли и с него, как с космодрома, запускается ракета - Межпланетная станция к Венере. Запуск производится строго в направлении движения орбитального космодрома. Из законов классической механики следует, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно орбитального космодрома плюю скорость самого космодрома относительно Земли. Скорости движения складываются, и ракета получает довольно большую скорость, которая позволяет преодолеть притяжение Земли и улететь к Венере.
Другой эксперимент: со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света. Какова же скорость распространения света относительно Земли? Она остаётся неизменной. Даже если свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном направлении, то и тогда относительно Земли скорость света не изменяется.
Это - иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительно. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величины зависят от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, не нужно указывать систему отсчёта.
3). Общая теория относительности.
Из общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов.
В частности,
как можно представить
Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим меркам - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы посылаем радиосигнал в какую-то точку, путь которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займёт в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала — при таком же расстоянии - не будет Солнца. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет (приблизительно) ≈ 0,0002 с.
Одной из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение и проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определённых условиях длина волны может устремится в бесконечности, а её частота в нулю. Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом три километра или меньше (R Солнца = 700 000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда и исходит свет, возрастает на столько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным.