13. Принцип относительности. Основные положения специальной теории относительности.

В рамках механистической картины мира, разработанной И.Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Современная формулировка принципа относительности такова:

Все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.

В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инерциальными. Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. Эйнштейн 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. Специальная теория часто называется релятивистской теорией.

Каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

Другой важный результат теории относительности: связь обособленных в классической механике понятий пространства и времени в единое понятие пространственно-временной непрерывности, или континуума.

Из специальной теории относительности вытекает, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения.

Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела не Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

14. Пространство и время как формы существования материи. Свойства пространства-времени. Законы сохранения.

Всеобщими атрибутами движущейся материи являются пространство и время. Вопрос об отношении времени и пространства к материи прежде всего интересует философию. Естествоиспытатели вплоть до ХХ века сравнивали пространство с пустотой, читая его одинаковым и неподвижным всегда. Рассматривали пространство и время как самостоятельные формы, отрывая друг от друга, как существующие независимо от материи и движения.Благодаря своей теории относительности Эйнштейн показал, что время и пространство существуют не сами по себе, а находятся в тесной взаимосвязи, теряя свою самостоятельность и выступая при этом как стороны единого целого.

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и длительностей временных интервалов, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Многие материальные объекты могут существовать бесконечно долго, в то время как другие существуют в течение момента 10-23 сек. Поэтому расширение и углубление знаний о мире, непосредственно связано с учением о пространстве и времени как формах существования материи. Обычно под пространством (в том числе и космическим) мы понимаем некую протяженную пустоту, в которой могут находиться какие-либо предметы. Для определения положения в пространстве необходимо задать три координаты – широту, долготу и высоту. Это означает, что пространство трехмерно.В различных науках используется понятие многомерное пространство, которое может содержать много координат, однако в большинстве случаев это математическая абстракция, которая играет большую роль в проведении расчетов, но не имеет отношение к реальному.

Время и пространство обладают общими свойствами:

- объективность и независимость от сознания человека;

- универсальные и всеобщие формы бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени;

- неразрывная связь друг с другом и движением;

- зависимость от процессов развития и структурных изменений в материальных системах;

- количественная и качественная бесконечность.

Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин – координат. В прямоугольной декартовой системе координат это – X, Y, Z, называемые длиной, шириной и высотой. В науке используется понятие многомерного пространства (n-мерного).

В пространстве можно перемещаться в различных направлениях, существует возможность возврата в исходную точку. В отличие от пространства время необратимо и одномерно. Время течет от прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-то точку в прошлом, и точно так же нельзя перешагнуть через промежуток времени и попасть в будущее. Необратимость времени проявляется в том, что все реальные процессы необратимы. Они направлены так, что вся энергия этих процессов в конечном итоге превращается в тепловую энергию. Необратимость времени в макроскопических процессах находит свое воплощение в законе возрастания энтропии.

Пространство обладает свойствами однородности и изотропности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, это означает, что начало координат можно поместить в любую точку пространства, это не внесет изменений в протекание любого процесса. Изотропность пространства – это равноправие всех направлений пространства, это означает, что из выбранной точки отсчета можно проводить оси в любых направлениях, систему координат можно вращать.

Время обладает только свойством однородности. Однородность времени означает, что равноправны все точки на оси времени. Любую точку, т.е. любой момент времени можно взять как начало момента. Течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т.е. возникает релятивистское замедление времени. Поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. Течет оно с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эти свойства пространства и времени связаны с главными законами физики, а именно с законами сохранения.

С этими свойствами и из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания.

Из свойства симметрии пространства – его однородности следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времениЗакон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действует только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со

Закон сохранения и превращения энергии – фундаментальный закон природы: энергия некогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. Закон сохранения энергии – результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадлежит М.В. Ломоносову Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

Из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, и из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.