СЕВЕРО-ЗАПАДНАЯ АКАДЕМИЯ
ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ
КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И
ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ
Реферат
на тему:
Выполнила:
Кочина
Алина Валерьевна
ГиМУ 13з
Проверил:
Санкт-Петербург
2000
План.
1. Введение.
2. Развитие пространственно-временных представлений в классической
механике.
3. Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна.
4. Единство и многообразие свойств пространства и время.
5. Заключение.
6. Литература.
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.
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 сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать
два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные
(кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:
- абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей
сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает
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, остается 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.
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. Правда, материя - тоже
вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время
и привел их в движение. Бог, являясь существом непространственным и
вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он
вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной
сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени, Бог
существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее
реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, он создал мир из
ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия
бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем
при творении божественный план развития и его существование прекратиться, а
вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность
как атрибут Бога и его бесконечная везде сущность. Подобные взгляды
выражались в общем виде еще Платоном, Аврелием Августином, Фомой Аквинским
и их последователями. Ньютон также разделял эти взгляды.
В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержаться
глубокие противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обреченность
его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу,
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 реализовывалась бы определенная идея, данная этому миру
Богом, а все множество этих идей создавало бы бесконечное пространство и
время. Подобные идей, высказанные в общем виде еще александрийским теологом
Оригеном (III в. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в Новое время
развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной
гармонии в каждом из потенциально возможных миров. 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”.[1]
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”.[2] 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”.[3]
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 течении 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”[4].
Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи
информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и
вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.
Со скорость света тесно связано решение проблемы одновременности,
которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения.
В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной
является и одновременность.
В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости
пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория
подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну
пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием
гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности
исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс,
количественное равенство которых давно было установлено в классической
физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных
сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если
ракета взлетает с ускорением 2g , то экипаж ракеты будет чувствовать себя
так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на
основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности,
утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы
в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.
Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит
общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и
будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе
большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист
резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует
зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что
привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают
геометрии Лобачевского и Римана).
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 пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к
которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком
случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала ничего нет.
Замедление вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.
Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности
- полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление
времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в
гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше
увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных
условиях длина волны может устремится к бесконечности, а ее частота - к
нулю.
Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случится, если бы наше
светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше
(радиус Солнца равен 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.
С нашим Солнцем этого никогда на самом деле не произойдет. Но другие
звезды, массы которых в три и более раз превышают массу Солнца, в конце
своей жизни и действительно испытывают, скорее всего, быстрое
катастрофическое сжатие под действием своего собственного тяготения. Это
приведет их к состоянию черной дыры. Черная дыра - это физическое тело,
создающее столь сильное тяготение, что красное смещение для света,
испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность.
Физики и астрономы совершенно уверены, что черные дыры существуют в
природе, хотя до сих пор их обнаружить не удалось. Трудности
астрономических поисков связаны с самой природой этих необычных объектов.
Ведь бесконечное красное смещение, из-за которого обращается в нуль
частота принимаемого света, делает их просто невидимыми. Они не светят, и
потому в полном смысле этого слова являются черными. Лишь по ряду косвенных
признаков можно надеяться заметить черную дыру, например, в системе двойной
звезды, где ее партнером была бы обычная звезда. Из наблюдений движения
видимой звезды в общем поле тяготения такой пары можно было бы оценить
массу невидимой звезды, и если эта величина превысит массу Солнца в три и
более раз, можно будет утверждать, что мы нашли черную дыру.
Сейчас имеется несколько хорошо изученных двойных систем, в которых
масса невидимого партнера оценивается в 5 или даже 8 масс Солнца. Скорее
всего, это и есть черные дыры, но астрономы до уточнения этих оценок
предпочитают называть эти объекты кандидатами в черные дыры.
Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого
служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а
вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса, оно столь велико, что
время там как бы замирает.
Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной
массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до
гравитационного радиуса занимает всего около часа. Но по часам, которые
покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется
во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному
радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет удаленному
наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго
приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигает его. В этом
проявляется замедление времени вблизи черной дыры. Таким образом, материя
влияет на свойства пространства и времени.
Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории
относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее
последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на
опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших
промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира,
эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность
пространства и времени (пространственно-временной континуум), была
перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных
данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока
нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра
представлений о физическом пространстве и времени. Разработанная теория
суперструн, которая представляет элементарные частицы в качестве
гармонических колебаний этих струн и связывает физику с геометрией, исходит
из многомерности пространства. А это означает, что мы на новом этапе
развития науки, на новом уровне познания возвращаемся к предсказаниям А.
Эйнштейна 1930 г.: “Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает
казаться, что первичную роль играет пространство, материя же должна быть
получена из пространства, так сказать, на следующем этапе. Мы всегда
рассматривали материю первичной, а пространство вторичным. Пространство,
образно говоря, берет сейчас реванш и “съедает” материю”[5]. Возможно,
существует квант пространства, фундаментальная длина L. Введя это понятие,
мы можем избежать многих трудностей современных квантовых теорий. Если ее
существование подтвердится, то L станет третьей (кроме постоянной Планка и
скорости света в пустоте) фундаментальной постоянной в физике. Из
существования кванта пространства также следует существование кванта
времени (равного L/c), ограничивающего точность определения временных
интервалов.
Единство и многообразие свойств пространства и время.
Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было
бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях
материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто
абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как
самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические
свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства
и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие
пространственно-временные характеристики, которые и неразрывно связаны с
другими ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства проявляются
лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам
материальных систем.
Из всеобщих свойств пространства и времени следует, прежде всего,
отметить:
1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания
всех других разумных существ в мире (если такие есть).
2. Их абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи,
проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.
3.
|
