9 Марта

Пространство, время, симметрия

Принцип симметрии. Законы сохранения

В современном естествознании часто формулируются те или иные закономерности, используя представления о симметрии. Под симметрией понимают инвариантность или неизменность относительно каких-либо преобразований. Простейшими симметриями является однородность (одинаковость во всех точках) и изотропность (одинаковость по всем направлениям).

Пространство и время обладают следующими симметриями: пространство и время однородны, пространство изотропно, при этом время анизотропно (время течет в одном направлении).

Существует теорема Нётера, которая утверждает, что симметрии пространства и времени связаны с законами сохранения. Закон сохранения энергии это следствие однородности времени. Закон сохранения импульса (количества поступательного движения) – это следствие однородности пространства. Закон сохранения момента импульса (количества вращательного движения) – это следствие изотропности пространства.

Эволюция представлений о пространстве и времени

Существует 2 точки зрения на сущность пространства и времени. Первая точка зрения: пространство и время – это нечто самостоятельное, инвариантное, существующее вне зависимости от материальных объектов. Пустота у древнегреческих атомистов, абсолютное пространство и время в механике Ньютона – пример такого представления. Вторая точка зрения: пространство и время – система отношений между материальными телами. У Аристотеля пространство – категория места, время – мера движения. В теории относительности Эйнштейна пространственные и временные промежутки меняются в зависимости от движения материальных тел.

Абсолютное пространство и время

Понятие было сформулировано Ньютоном. Он рассматривал относительное пространство и время, связанное с той или иной системой отсчета. Чтобы ввести правило пересчета из одной системы в другую, он ввел понятие «абсолютное пространство и время». Следствием этого представления является классический закон сложения скоростей.

В 19 веке с развитием электродинамики возникло представлении о мировом светоносном эфире – упругой, всепроникающем, невесомой среде, по которой распространяются все электромагнитные взаимодействия, в частности электромагнитные волны. Абсолютное пространство и время стали ассоциировать с этим эфиром. Считалось, что поскольку Земля движется относительно эфира, должен существовать эфирный ветер.

Майкельсон и Морли в конце 19 века поставили ряд опытов. В 1964 году для объяснения отсутствия эфирного ветра Лоренс предположил, что объекты, движущиеся относительно эфира, сокращаются по длине, укорачиваются, и предложил «преобразования Лоренса», которые описывают этот процесс и дают закон сложения скоростей. Подвижная система координат Кʹ движется относительно неподвижной со скоростью v.

Преобразования Галилея:

x = xʹ + vt

y = yʹ

z = zʹ

t = tʹ

x/t = xʹ/t + vt/t

v = vʹ + v

Преобразования Лоренса.

Для современной научной картины мира характерен отказ от абсолютных пространств и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета, а также признание взаимосвязи пространства, времени и материи.