Изучение пространства и времени
Концепции времени и пространства, этапы их зарождения и развития, направления исследования на сегодня. Эксперимент Майкельсона-Морли. Принцип относительности Галилея. Относительность одновременности событий. Общая и специальная теория Эйнштейна.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.03.2013 |
| Размер файла | 27,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи со свойствами движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как геометрический параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.
Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время, как формы существования материи, изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления, которые стали ближе к действительности. Поэтому знакомство с ними следует начать с теории пространства-времени в том виде, как она представлена в современной физике. Предварительно, однако, необходимо напомнить некоторые положения, относящиеся к классической механике Галилея.
1. Концепции времени и пространства
Время и пространство - это формы существования и движения материи.
Самые первые представления относятся к древним векам, это субъективные понятия.
Время выражает порядок смены физических состоянии материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека.
Субъективно то, что можно измерить с помощью часов. В качестве отсчета может быть принят любой циклический процесс, например, вращение Земли.
Постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эталон точности на данный момент составляет 10-11 с.
В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математическое время - это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов.
По Эйнштейну, время относительно, абсолютного времени
По теории относительности:
1. Существует релятивистское замедление времени при скоростях, близких к скорости света.
2. Гравитационное замедление времени (внутри чёрной дыры время останавливается).
По Ньютону время является обратимым, по современным представлениям время необратимо, относительно и одномерно.
В пространстве физические тела занимают объем и движутся друг относительно друга.
Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.
Пространство (быт) - это некая протяженная пустота, в которой могут находиться материальные тела.
Первая концепция пространства - III век до н.э. - Евклид создал свою геометрию. Его концепция не связана на с временем, ни с физическими явлениями - она чисто математическая. Была дополнена в XVIII веке Декартом, который ввел трехмерную систему координат (стереометрия) и определил пространство как однородное и изотропное.
Однородность - это свойство материальной системы, которое не зависит от ее перемещения в пространстве.
Изотропность - это свойство материальной системы, которые одинаково при её движении во всех направлениях. Ньютон ввел в классическую механику понятие абсолютного пространства, то есть, существующего независимо оттого, находятся там материальные тела или нет. Реального абсолютного пространства нет! В современной физике пространство так же относительно, как и время.
Вторая концепция пространства появилась в начале XIX века. Я. Бальяй, К. Гаусс (сер. XIX), Н.И. Лобачевский (сер. XIX) независимо друг от друга пришли к разработке неевклидовой геометрии. В отличие от Евклидовой, не соблюдается постулат о параллельных прямых (Сколько угодно прямых, параллельных данной). Евклидовой геометрии было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).
В 60-е гг. XIX века Риман создал сферическую геометрию. Геометрии Лобачевского было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).
Евклидова геометрия применима для макромира, неевклидова для мегамира, для искривленного пространства - римановская.
В классической пространство, время и материя не связаны друг с другом.
В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Эйнштейн ввел временную координату. Эйнштейн отчасти заимствовал наработки Минковского в области создания четырехмерного мира. Но Минковский не смог объяснить происхождение искривленного пространства. Четырехмерный мир неощутим для людей. Еще Галилей сказал, что для измерения движения нужно взять систему отсчёта времени. Система отсчета - это совокупность декартовых координат и часов. Это говорит о том, что движение тела всегда относительно движения других тел и связано со временем.
Специальная теория относительности (1905) показала, что не абсолютного пространства и абсолютного времени, все они относительны какой-либо системы отсчета.
Общая теория относительности (1915) показала, что евклидова геометрия непригодна для описания тел с большими массами и размерами.
2. Эксперимент Майкельсона-Морли. Принцип относительности Галилея
пространство относительность эйнштейн теория
Прежде чем говорить о теории относительности, необходимо рассмотреть эксперимент, оказавший влияние на формирование взглядов А. Эйнштейна. Значение этого эксперимента настолько велико, что более чем 100 лет спустя после его проведения он описан во всех учебниках и энциклопедиях.
Американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931 гг.) (Нобелевская премия 1907 г.), осуществил сложнейший опыт по исследованию скорости света относительно неподвижного эфира.
Суть эксперимента заключалась в сопоставлении скорости распространения света одновременно в двух направлениях: вдоль движения Земли вокруг Солнца и в перпендикулярном направлении.
Необходимость сравнения скоростей света была продиктована желанием доказать существование эфира - среды, в которой распространяются световые волны. Все волны, известные физикам в конце XIX в., распространялись в различных средах. Было предположено, что и для световых волн не должно быть исключения. Эфир должен был обладать следующими свойствами: высокой плотностью, сверхпроницаемостью и абсолютной неподвижностью. Первое свойство вытекало из высокой частоты световых волн. Второе отвечало экспериментам по распространению света в вакууме при лабораторных экспериментах. Третье свойство соответствовало представлению физики Ньютона об абсолютной системе координат.
Точность эксперимента Майкельсона позволяла получать различия в скорости распространения света порядка 106. Опыты проводились Майкельсоном и Морли в 1885-1887 гг., а в 1964 г. другие американские физики повторили опыт с использованием новейших достижений - результаты с большей точностью подтвердили отсутствие различий в скоростях распространения света. Следовательно, отсутствует и эфир - предполагаемая с XIX в. среда, проводящая электромагнитные волны.
Основой СТО стало расширенное применение принципа относительности Галилея. Напомним, что еще в 1636 г. Галилео Галилей сформулировал принцип равноправия любых инерциальных систем координат. Этот принцип полагал, что все механические процессы протекают одинаково независимо от того, происходят ли они в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Полемизируя с противниками теории Коперника, Галилей разбил важный аргумент, выдвигаемый ими против движения Земли. Его оппоненты утверждали, что при вращении Земли вокруг своей оси камень, брошенный с высоты, упадет не точно вниз, а сместится в сторону, так как Земля во время полета камня успеет повернуться. Не наблюдая подобных явлений (камни падали строго вертикально), сторонники геоцентризма утверждали неподвижность Земли.
Галилей предложил рассмотреть процессы, происходящие на корабле, стоящем у причала, и на судне, равномерно и прямолинейно плывущем в открытом море. И в первом, и во втором случае не удается заметить различия в поведении воды, капающей из подвешенного сосуда в сосуд на полу. И хотя Галилею не удалось доказать вращение Земли вокруг своей оси (это доказательство нашел французский физик Ж.Б.Л. Фуко в 1850 г., исследовав качание 67-метрового маятника, подвешенного в Пантеоне (Париж, Франция)), но он доказал невозможность опровергнуть движение Земли с помощью механических процессов.
Объяснение результатов эксперимента Майкельсона-Морли и расширенное применение принципа относительности Галилея позволили А. Эйнштейну создать специальную теорию относительности. Рассмотрим, как это удалось сделать немецкому ученому.
3. Специальная теория относительности А. Эйнштейна
Постулаты специальной теории относительности (СТО) были сформулированы Альбертом Эйнштейном в 1905 г. Эти положения принимаются без доказательств и являются фундаментальными утверждениями. Их применение позволило Эйнштейну объяснить явления, в которых частицы двигаются со скоростями, близкими к скорости света.
Первый постулат называется принципом относительности Эйнштейна: «Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета». Напомним, что инерциальной системой отсчета будет считаться такая система, которая движется равномерно и прямолинейно. Иными словами, эта система не ускоряется, не тормозится и не движется по окружности. В такой системе невозможно с помощью эксперимента проверить состояние самой системы - движется она или находится в состоянии покоя. Формулировка первого постулата вытекает из теоретического объяснения результатов опыта Май-кельсона-Морли. (Любопытный студент может задаться вопросом о непрямолинейности движения Земли по орбите, но Земля уклоняется на 3 мм, пройдя путь в 300 км, и таким искривлением можно пренебречь.) Вводя первый постулат, Эйнштейн расширяет границы применимости принципа относительности Галилея.
Второй постулат носит название принципа постоянства скорости света. «Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью с, не зависящей от состояния движения излучающего тела».
Пусть свет всегда в вакууме распространяется с постоянной скоростью, но тогда при переходе к инерциальной системе придется зафиксировать изменение скорости света при движении в сторону его источника или удаляясь от источника света. Мы вынуждены нарушить принятый постулат. И еще опровергнуть результаты опыта Майкельсона.
Оба постулата кажутся противоречащими друг другу. Тем не менее А. Эйнштейн соединяет их в единую теорию и строит новую физическую картину мира. Введенные Эйнштейном постулаты изменили представления физиков об окружающем мире. Из этих двух положений выросла новая модель мира. Эйнштейн и Фридман (о нем речь еще впереди) третий раз в истории человечества изменили основы научного представления о Вселенной. Напомним, что первый раз это сделали Аристотель (создав основы античной физики), Гиппарх и Птолемей (создав гелиоцентрическую систему мира), а второй - Коперник, Кеплер, Ньютон (предложив, уточнив и сформулировав гелиоцентрическую систему мира и создав основы классической физики).
4. Относительность одновременности событий
В классической механике события могут быть одновременными. Это привычно и не вызывает сомнений. Установить одновременность просто: если события наблюдаются одновременно, то они одновременны, если наблюдать их нельзя сразу, то мы можем сопоставить время их наступления по часам. «В Москве пятнадцать часов… в Петропавловске-Камчатском - полночь», - говорит диктор радио. Если в этот момент в городе на Камчатке звучал выстрел из пушки, а в Москве раздавался звонок с урока, то эти события были одновременны. Их можно было сравнить с помощью действующего часового механизма. Так привычно, но за этой привычкой скрывается неявное допущение. Скорость передачи сигнала о событии принимается мгновенной или пренебрежимо малой по отношению к самому событию.
Скорость света - наибольшая в природе, позволяющая передавать информацию. Большие скорости передачи информации физике не известны. Поэтому наиболее точно устанавливать одновременность событий возможно только с помощью света. Напомним, что электромагнитное излучение включает в себя инфракрасные волны, видимый свет, ультрафиолетовый диапазон, рентгеновские лучи. Пришли волны от разных источников одновременно, значит, события для наблюдателя стали одновременными. А кто опоздал, тот, значит, был позже. Таким образом, получается, что два наблюдателя, находящихся по разные стороны от двух событий, увидят различную последовательность происходящего? Рассмотрим систему координат, в которой одновременно произошли события С1и С2. Пусть наблюдатель находится ближе к месту, в котором произошло событие С1, свет до наблюдателя дойдет быстрее, чем от события в точке С2. Другой наблюдатель, расположенный ближе к точке С2. увидит другую последовательность событий. Кто из этих двух наблюдателей прав? Правы оба, но только не в абсолютном, а в относительно смысле. Каждый из наблюдателей прав, так как каждый видел истинную картину происходящего, но относительно своего местоположения.
Может ли в таком случае нарушиться принцип причинности, т.е. последовательность событий, определяющих, какое из двух явлений будет причиной, а какое - следствием? Например, возможен ли случай, в котором сначала пуля попадет в медведя, а потом выстрелит охотник? Нет, такого не произойдет. Пусть наблюдатель стоит ближе к животному и дальше от его убийцы. Сигнал от медведя дойдет быстрее, чем сигнал от охотника. Но все же сначала мы увидим вспышку от выстрела, потом будет задержка (время пролета пули из ружья во всеядное), потом упадет медведь. В связанных между собой событиях причинность не нарушается. Два таких события не относительны по отношению друг к другу или к наблюдателю. Относительность последовательности происходящих событий будет возникать только в случае независимых событий, таких, которые никаким образом не связаны друг с другом.
5. Пространство-время - четырехмерный континуум
Постулаты специальной теории относительности (СТО) разрушили представления классической физики. Созданная Ньютоном механика рассматривала пространство и время как две независимые абсолютные величины, в которых разыгрываются физические процессы. Постулаты СТО вынуждают связать воедино пространство и время. Именно такая взаимосвязь позволяет получить математическое описание перехода между разными движущимися системами координат. Так как в теории относительности рассматриваются явления, протекающие с околосветовыми скоростями, то связь пространства и времени становится заметной исключительно при этих скоростях.
В школьном курсе физики использовались преобразования Галилея, приводящие к сложению скоростей, в СТО такие преобразования несколько сложнее. Они называются преобразованиями Лоренца, по имени ученого, предложившего их. При скоростях много меньше световых преобразования Лоренца могут быть заменены преобразованиями Галилея (напомним, что это проявление принципа соответствия Бора).
Выше была рассмотрена относительность одновременности событий. Привычные для нас представления о расстояниях и временных промежутках также являются относительными относительно движущихся систем координат. Да простят меня читатели за «двойную» относительность. Дело в том, что в широких слоях слово «относительность» стало ординарным. «Все в мире относительно», - слышали, наверное? Так вот, относительность может быть только относительно чего-то, а не сама по себе. Выражение: «Я получаю зарплату больше» - бессмысленно, если не связать его с суммой или человеком.
Привычная «экономия слов» порождает путаницу в умах людей, далеких от физики. Если покоящийся наблюдатель станет измерять размеры тела, двигающегося с околосветовой скоростью, то в направлении движения тело получится короче первоначального размера. Данный результат вытекает из математических формул преобразований Лоренца. Дело в том, что измерение будет проводиться с помощью света. Но свет распространяется с постоянной скоростью независимо от движущихся или покоящихся систем координат (наблюдателей). Если процессы не будут замедляться, а размеры уменьшаться, то скорость света для неподвижного наблюдателя будет складываться со скоростью движущейся системы и в целом превзойдет скорость света. Таким образом, будет нарушен второй постулат СТО. Для его сохранения необходимо, чтобы для неподвижного наблюдателя процессы, происходящие в движущейся системе, происходили медленнее, а сам движущийся объект сокращался в направлении движения. Но наблюдатель, расположенный в самой движущейся системе, никакого сокращения или замедления не обнаружит. (Относительно неподвижного наблюдателя сокращение и замедление будут происходить, а относительно наблюдателя в этой движущейся системе все останется неизменным.) В противном случае будет нарушен первый постулат Эйнштейна, в соответствии с которым все процессы должны протекать одинаково. Таким образом, время и пространство оказываются взаимосвязанными. Привычное для нас трехмерное пространство и самостоятельное время составляют единый континуум. От такой математической операции ничего с миром не случилось (как часто предполагают гуманитарии). Физики поняли: мир - более сложное и загадочное явление, чем это может вообразить фантазия, а привычные научные теории не вечные истины.
6. Общая теория относительности А. Эйнштейна (теория тяготения)
Сила тяжести - первая сила, введенная в физику; ее «отец» - И. Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения. Теперь ее рассматривают как одно из фундаментальных взаимодействий в природе. Несмотря на то что тяготение стало частью физики еще в XVII в., оно до сих пор загадочное проявление свойств природы.
Ответить на вопрос «Что такое тяготение?» можно двумя способами. Первый: открыть частичку-переносчик тяготения, подобно фотону - переносчику электромагнитного поля. Но физики и сегодня не могут обнаружить эту частичку - гравитон. Второй: отказаться от силы тяготения по принципу «нет силы - нет частички». Именно этот путь выбрал А. Эйнштейн.
Пользуясь скоростными лифтами, человек испытывает тяжесть в ногах при подъеме и дурноту при спуске. Если лифт будет падать вместе с человеком (внимание: этот эксперимент несовместим с жизнью!), то человек окажется в состоянии невесомости и может представить себя настоящим космонавтом (короткое время!). Иное дело при подъеме - тело становится тяжелее. Из этих наблюдений можно предположить, что сила тяжести может быть заменена ускорением, а раз так, то в действительности нет никакого тяготения.
Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, утверждающий, что физические процессы в гравитационном поле неотличимы от аналогичных явлений при соответствующем ускоренном движении. Принцип эквивалентности стал основой новой теории, названной общей теорией относительности (ОТО). Представим себе НЛО, который прямолинейно движется с ускорением -9,8 м/. Будучи в состоянии проводить эксперименты, вы не сможете с их помощью определить, остались вы на Земле или похищены инопланетянами. Можно только посмотреть в окно или иллюминатор; если же вы лишены такой возможности, остается надеяться только на удачу.
Несмотря на достигнутые успехи, Эйнштейну не удалось полностью заменить явление тяготения прямолинейным равноускоренным движением. Поле тяготения Земли направлено по радиусам шара к центру. С помощью движения можно создать тяготение либо на плоскости, либо на внутренней поверхности вращающегося обода, но не на внешней поверхности сферы. Для объяснения этого исключения Эйнштейн предположил искривленность окружающего нас пространства и времени под воздействием массы. В «кривом», неевклидовом пространстве сумма углов треугольника не равна 180, в этом легко убедиться, посмотрев на любой глобус. - треугольник, образованный экватором и двумя меридианами, подтвердит все вышесказанное. Движение в таком пространстве по кратчайшему расстоянию будет движением по окружности. Посмотрев на глобус, легко убедиться в справедливости Эйнштейна. Затруднение может вызвать то, что глобус - это сфера в трехмерном пространстве, а в ОТО используется пространственно-временной континуум. Представить искривленное четырехмерное пространство сложно, но напомним, что этого от нас никто и не требует, достаточно предложить математические операции, связывающие пространство и время однозначным образом. Используя математику, можно рассчитывать, а не представлять.
Если пространство неевклидово, то и свет должен распространяться не прямолинейно! Это следствие ОТО можно проверить экспериментально. Еще в 1919 г., во время полного Солнечного затмения, английской экспедиции удалось увидеть свет звезды, которая, будь пространство евклидовым, заслонялась бы Солнечным диском. На самом деле, проходя рядом с Солнцем, свет попадает в область пространства-времени с большой кривизной и в соответствии с ОТО двигается не по прямой линии. Наблюдая это явление, астрономы подтвердили справедливость ОТО. Поведение света в гравитационном поле Солнца, изменение времени на Меркурии и как следствие - некоторые особенности движения подтвердили теорию Эйнштейна. Теперь необходимо знать, что вещество своей массой искривляет пространство-время, а пространство-время подсказывает телу траекторию движения.
Пространство и время оказались не только взаимосвязанными, как предсказывает СТО, но еще и неевклидовыми в соответствии с ОТО.
Заключение
Сорок - пятьдесят лет назад можно было наблюдать очень большой интерес к теории относительности со стороны широких кругов несмотря на то, что тогда в книгах и статьях по теории относительности речь шла об очень далеких от повседневного опыта и очень абстрактных вещах. Широкие круги проявили удивительное чутье, они чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на основные представления о пространстве и времени, не может не привести при своем развитии и применении к очень глубоким и широким производственно - техническим и культурным последствиям. Это предчувствие не обмануло людей. Воплощением нового релятивистского учения об энергии, а следовательно, и всей теории относительности в целом является атомная эра, которая расширяет власть человека над природой больше, чем это сделали предшествующие научные и технические революции.
Атомная эра будет эрой дальнейших коренных преобразований физической картины мира. Сейчас нельзя предвидеть, каким образом изменятся представления о пространстве, времени, движении, элементарных частицах и их взаимодействиях. Можно указать только на некоторые проблемы современной физики, которые, видимо, будут решены лишь при переходе к новой физической картине мира.
Теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала законченной теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории элементарных частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может, свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относительности. Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и обобщение этой теории.
Теория относительности ждет дальнейшего развития и обобщения и в другом направлении, помимо картины движений, взаимодействий и трансмутаций элементарных частиц областях порядка 10-13см, Она все в большей степени становится теорией, описывающей строение космических областей, по сравнению с которыми малы расстояния между звездами и даже расстояния между галактиками.
Список использованной литературы
1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. М., 2000.
2. Лось В.А. Основы современного естествознания (концепции, теории, проблемы). М., 2000.
3. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания. СПб., 2000.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. М., 1999.
5. Рузавин Г.И. «Концепции современного естествознания. Курс лекций», - М.: Проект, 2004
6. Соломатт В.А. История и концепции современного естествознания: Учебник для студентов высших учебных заведений. Ярославль, 2000.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Категории пространства и времени, анализ концепции их относительности. Инвариантность пространственных и временных интервалов как отражение свойств симметрии физического мира. Эволюционная теория относительности. Теория относительности А. Эйнштейна.
реферат [35,2 K], добавлен 11.07.2013Истоки теории относительности, порядок ее формирования и значение. Принцип относительности Галилея. Сущность преобразования Галилея и Лоренца. Теория относительности А. Эйнштейна, особенности и отличительные признаки ее общей и специальной формы.
реферат [2,4 M], добавлен 09.11.2010Изучение понятий пространства (реального, концептуального, перцептуального) и времени как форм существования материи. Ознакомление с принципом относительности Галилея, законами Ньютона, космологической теорией Бруно и координационной системой Декарта.
контрольная работа [28,0 K], добавлен 25.04.2010Изучение принципа относительности Галилея. История возникновения и содержание концепции наименьшего действия. Ознакомление с основными постулатами специальной теории относительности Эйнштейна. Экспериментальные подтверждения общей теории относительности.
реферат [30,5 K], добавлен 30.07.2010Суть современных концепций относительности пространства и времени в специальной и общей теориях. Гиперхронологическое историческое пространство, ускорение исторического времени. Раскрытие понятий бифуркаций, фракталов, аттракторов, факторов случайности.
контрольная работа [466,4 K], добавлен 10.12.2009Поле всемирного тяготения, гравитационное взаимодействие и постулаты общей теории относительности Эйнштейна - теории пространства, времени, материи, тяготения и движения. Идея построения материального мира из элементарных, фундаментальных "кирпичиков".
реферат [888,7 K], добавлен 07.01.2010Естествознание как особая форма знания, предмет методы ее изучения, история становления и развития в человеческой культуре. Принцип относительности, соотношение пространства и времени. Принципы возрастания энергии. Место химии в современной цивилизации.
методичка [35,6 K], добавлен 16.01.2010Понятия пространства и времени являются философскими категориями и в этом смысле не определяются в естествознании. Для естественных же наук важно уметь определять их численные характеристики - расстояния между объектами и длительности процессов.
реферат [28,2 K], добавлен 05.06.2008Рассмотрение и изучение современных представлений о пространстве и времени. Эволюция базовых понятий пространства, Евклидова геометрия. "Декартовы координаты", положение в пространстве. История развития представлений о времени. Физическая теория времени.
реферат [27,1 K], добавлен 12.04.2009Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна. Основные закономерности развития биогеоценоза. Взаимодействие между компонентами как важнейший механизм поддержания целостности и устойчивости биогеоценозов.
контрольная работа [150,8 K], добавлен 13.04.2012
