4. Эволюция представлений о пространстве-времени:

Пространство и время Аристотеля

1. У Аристотеля нет категории пространства, у него есть категория места; это означает, по мнению философа, что пространства без тел не бывает, следовательно, в природе нет пустоты. Аристотель отрицает пустоту на том основании, что ее признание влечет за собой массу трудностей для понимания космоса. Согласно Аристотелю, пространство состоит из мест, занимаемых телами.

2. Время не существует без движения, но оно не есть движение. Время не есть движение, потому что время равномерно, движения же неравномерны, а если и равномерны, то одна равномерность более медленная, другая - более быстрая. Поэтому "время - мера движения"

3. Проблема настоящего. Более интересна диалектика настоящего, проблема "теперь". Аристотель становится здесь почти Гераклитом и изменяет своей формальной логике, к чему его толкает сам предмет, ибо время можно считать наиболее загадочным из всего, что есть в мире. Аристотель ставит ряд вопросов, связанных с проблемой времени. Является ли "теперь" частью времени. "Теперь" - не часть времени, ибо частью измеряется целое, слагающееся из частей, "теперь" же не измеряет времени и время не слагается из "теперь".

4. Вечность движения и времени.

Абсолютное пространство и время Ньютона

Субстанциальная концепция (Демокрит – И. Ньютон)

1. Пространство и время существуют сами по себе, независимо от движущейся материи и друг друга. В них «погружены», «помещены» материальные объекты.

2. Пространство – пустое вместилище для тел. Тела, находясь в пространстве и двигаясь в нем, не взаимодействуют с ним. Пространство является абсолютной системой отсчета и остается всегда неподвижным, однородным, обладает всюду, во всех точках и направлениях одинаковыми геометрическими свойствами. Абсолютное пространство, благодаря своей природе, безотносительно к чему-либо внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным (И. Ньютон). Пространство – это независимо существующая субстанция, в которой перемещаются материальные тела и частицы света. Все равномерные движения у Ньютона относительны, а ускоренные – абсолютны. Причины, вызывающие ускоренные движения, он назвал силами. Механика Ньютона позволяет наблюдать в пространстве только ускоренные процессы (вращение карусели, удар по мячу и т.п.), т.к. равномерное движение нельзя механическими средствами отличить от другого такого же состояния. Пространство у Ньютона само по себе не оказывает силового воздействия на движущиеся тела.

3. Время – чистая длительность. Свойства времени не зависят от материальных объектов и протекающих процессов. Это положение лежит в основе классической механики Ньютона. Время является абсолютной системой отсчета, благодаря чему якобы становится возможным измерение во времени тех или иных реальных процессов, происходящих в пустом пространстве. Но эти реальные процессы, происходящие во времени, не взаимодействуют с абсолютным временем. Само время, как и пространство, остается всегда одинаковым, т.е. чистой длительностью. Именно поэтому оно и является абсолютной системой отсчета. Время и пространство лишь прикладываются к материальным объектам, а сами существуют независимо. Время идет сразу везде во всей Вселенной единообразно и синхронно. Причина времени – божественна и абсолютна. В видимом материальном мире этой причины нет, нам дается здесь лишь его бледное отражение в виде относительного земного времени. Безусловное, истинное математическое время протекает равномерно и иначе называется длительностью

Специальная теория относительности (СТО) – постулаты

1) скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света;

2) все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Другими словами, во всех инерциальных системах отсчета неизменным остается пространственно-временной интервал.

Релятивистские эффекты

Эффекты состоят в том, что при движении с субсветовыми скоростями происходит следующее:

1) увеличивается масса тел;

2) сокращаются их размеры /по направлению движения;

3) в движущихся системах отсчета замедляется течение времени.

Общий вывод СТО

СТО установила, что абсолютной одновременности событий, происходящих в разных системах, т.е. в разных условиях движения, не может быть, ибо не существует единого всегда и везде равномерного потока времени, что эта одновременность носит относительный характер. Пространственные и временные характеристики в различных соотносительных материальных системах отсчета будут различными. Эти изменения зависят от скорости относительного движения тел.

По мере возрастания скорости движения длина движущегося тела в направлении движения сокращается и течение времени соответственно замедляется (релятивистское замедление времени). Если космический корабль с большой скоростью проносится мимо, то неподвижному наблюдателю его длина кажется короче. Чем ближе к скорости света, тем более становится этот эффект. При с = 300 тыс. км/с, длина тела = 0.

В таком космическом корабле время течет медленнее. Отсюда парадокс близнецов, которые будут стареть неравномерно, если один из них отправился с космической скоростью в путешествие. Когда атомные часы отправляли на сверхзвуковом самолете в кругосветный перелет, то по возвращению на Землю разница во времени составляла около 40 атомных единиц.

Специальная теория относительности установила органическую связь пространства и времени, связав их в единое целое – пространственно-временной континуум. 4-мерное пространство-время отныне не рассматриваются обособленно, а являются выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не могут.

Общая теория относительности (ОТО)

Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная.

1) Первый постулат общей теории относительности – расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл по отношению к фактору, его определяющему.

2) Второй постулат – принцип постоянства скорости света – остается неизменным.

3) Третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Так, в законе всемирного тяготения, сформулированном Ньютоном, сила тяготения всегда пропорциональна массе того тела, на которое она действует. Но во втором законе Ньютона сила, сообщающая телу ускорение, тоже пропорциональна его массе. В первом случае речь идет о гравитационной массе, которая характеризует способность тела притягиваться к другому телу, во втором случае – об инертной массе, которая характеризует поведение тела под действием внешних сил, является мерой инертности тела. Но в случае свободного падения тела ускорение g = 9,8 м/с2 не зависит от массы. Это установил в своих опытах еще Галилей. Более точно эквивалентность этих масс была установлена в 1890 г. венгерским физиком Л. Этвёшем. Сегодня эти выводы подтверждены с высокой степенью точности – до 10-12.

Экспериментальные доказательства ТО

1) Гравитационное замедление времени, из-за которого любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу) они находятся. Данный эффект был непосредственно подтверждён в эксперименте Хафеле — Китинга, а также в эксперименте Gravity Probe A и постоянно подтверждается в GPS[32].

Непосредственно связанный с этим эффект — гравитационное красное смещение света. Под этим эффектом понимают уменьшение частоты света относительно локальных часов (соответственно, смещение линий спектра к красному концу спектра относительно локальных масштабов) при распространении света из гравитационной ямы наружу (из области с меньшим гравитационным потенциалом в область с большим потенциалом). Гравитационное красное смещение было обнаружено в спектрах звёзд и Солнца и надёжно подтверждено уже в контролируемых земных условиях в эксперименте Паунда и Ребки.

Гравитационное замедление времени и искривление пространства влекут за собой ещё один эффект, названный эффектом Шапиро (также известный как гравитационная задержка сигнала). Из-за этого эффекта в поле тяготения электромагнитные сигналы идут дольше, чем в отсутствие этого поля. Данное явление было обнаружено при радиолокации планет солнечной системы и космических кораблей, проходящих позади Солнца, а также при наблюдении сигналов от двойных пульсаров.

С наибольшей на 2011 год точностью (порядка 7·10−9) этот тип эффектов был измерен в эксперименте, проведённом группой Хольгера Мюллера из Калифорнийского университета. В эксперименте атомы цезия, скорость которых была направлена вверх по отношению к поверхности Земли, действием двух лазерных пучков переводились в суперпозицию состояний с различающимися импульсами. Вследствие того, что сила гравитационного воздействия зависит от высоты над поверхностью Земли, набеги фаз волновой функции каждого из этих состояний при возвращении в исходную точку различались. Разность между этими набегами вызывала интерференцию атомов внутри облака, так что вместо однородного по высоте распределения атомов наблюдались чередующиеся сгущения и разрежения, которые измерялись действием на облако атомов лазерными пучками и измерением вероятности обнаружения атомов в некой выбранной точке пространства.

2) Опыт Майкельсона—Морли

В 1925 г. Майкельсон и Гэль у Клиринга в Иллинойсе уложили на земле водопроводные трубы в виде прямоугольника. Диаметр труб 30 см. Трубы AF и DE были направлены точно с запада на восток, EF, DA и CB — с севера на юг. DE=AF=613 м, EF=DA=CB=339.5 м. Одним общим насосом, работающим в течение трех часов, можно откачать воздух до давления 1 см ртутного столба. Чтобы обнаружить смещение, Майкельсон сравнивает в поле зрительной трубы интерференционные полосы, получаемые при обегании большого и малого контура. Один пучок света шёл по часовой стрелке, другой против. Смещение полос, вызываемое вращением Земли, разные люди регистрировали в различные дни при полной перестановке зеркал. Всего было сделано 269 измерений. Теоретически предполагая эфир неподвижным, следует ожидать смещения полосы на 0,236±0,002. Обработка данных наблюдений дала смещение 0,230±0,005, таким образом подтвердив существование и величину эффекта Саньяка.

С. И. Вавилов в статье «Экспериментальные основания теории относительности» (Собрание сочинений, том 4, стр. 61) даёт объяснение этого эффекта: «Ротационные опыты Саньяка и Майкельсона — Гэля в теории относительности (частной и общей) объясняются почти так же, как возможность обнаружения вращательного движения по проявлениям центробежных сил в механике. Это — естественное следствие теории относительности, не добавляющее ничего нового».

Пространство и время – общие формы координации материальных объектов и их состояний. Их всеобщие свойства:

• объективность пространства и времени;

• всеобщность пространства и времени

Свойства пространства

Пространство – это совокупность отношений, выражающих координацию сосуществующих объектов, их расположение друг относительно друга и относительную величину (расстояние и ориентация). Его специфические свойства:

- трехмерно;

- однородно (равноправие всех его точек);

- изотропно (равноправие всех его направлений).

Свойства времени

Время – совокупность отношений, выряжающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений), их последовательность и длительность.

– одномерно;

– однородно (равноправие всех моментов времени);

– необратимо, неповторяемо.