Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КСЕ6.doc
Скачиваний:
24
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
856.06 Кб
Скачать

Тема 6. Концепции пространства и времени (Краткий конспект)

6.1. Эволюция представлений о пространстве и времени.

6.2. Элементы теории относительности Эйнштейна.

6.3. Свойства пространства и времени.

6.4. Фундаментальные законы сохранения и принципы их симметрии.

6.1.Эволюция представлений о пространстве и времени

Пространство – форма сосуществования материальных объектов. Время – порядок последовательной смены явлений и состояний материи.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были представления о пространстве и времени как о субстанции – нечто относительно устойчивое, то, что существует само по себе и не зависит ни от чего другого (Аристотель, Демокрит). Первая законченная теория пространства – геометрия Евклида. Она была создана примерно 2 тыс. лет назад и до сих пор считается образцом научной теории. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой геометрии – идеальное математическое пространство. Такой взгляд позволил И. Ньютону сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени. Абсолютное пространство существует независимо от времени и независимо от наполняющей его материи, остается всегда одинаковым и неподвижным. Абсолютное время при этом течет равномерно и независимо ни от чего, и иначе называется длительностью. Течение абсолютного времени изменяться не может. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.

Г. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время – как порядок отношения и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию как абсолютных.

Есть концепции (Беркли, Мах и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно подле другого.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано А. Эйнштейном в специальной теории относительности (1905 г.), по-новому интерпретировавшей концепции пространства и времени и давшей им естественнонаучное обоснование.

6.2. Элементы теории относительности а. Эйнштейна

Специальная теория относительности основывается на двух постулатах:

1. Принцип относительности – в любых инерциальных системах отсчета все физические процессы (механические, электромагнитные и т.д.) протекают одинаково. Иначе говоря, все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Относительность в специальной теории относительности означает, что все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущества перед другими.

2. Принцип инвариантности скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Из постулатов теории относительности вытекают замечательные следствия. Рассмотрим некоторые из них.

Сокращение длины. В движущихся системах происходит изменение длины тела вдоль направления движения. Если космический корабль проносится с большой скорость мимо находящегося в неподвижном состоянии наблюдателя, то этому наблюдателю длина корабля покажется короче действительной. Причем, чем ближе скорость корабля к скорости света, тем более заметным становится этот эффект. Таким образом, классические представления об абсолютном пространстве оказались несостоятельными: в зависимости от скорости меняется размер тела.

Замедление времени. В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдателя. Если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей на большой скорости ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее его собственных. Эффект замедления времени на борту ракеты касается буквально всего, включая процессы и даже биологические ритмы экипажа. Другими словами, с точки зрения земного наблюдателя, члены космического корабля стареют медленнее, чем их земные двойники. Этот эффект подтвержден многими экспериментами с космическими лучами. Таким образом, время потеряло свой абсолютный характер, не зависящий от системы отсчета.

Увеличение массы. Масса движущегося тела, с точки зрения неподвижного наблюдателя, оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше становится его масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса выросла бы до бесконечности. Из этого следует, что никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, т.к. для этого потребовалась бы бесконечная энергия.

Сокращение длины

(1)

Замедление времени

(2)

Увеличение массы

(3)

В 1908 г. немецкий физик и математик Герман Минковский углубил понимание неразрывности пространства и времени, показав, что в своем единстве они абсолютны и независимы от системы отсчета. Он ввел понятие четырехмерного мира (четырехмерного пространства-времени), в котором три измерения пространственные, а четвертое измерение – время. Таким образом, наша Вселенная оказывается четырехмерной. Пространство и время нельзя рассматривать как независимые физические сущности. Они образуют некий сплав – четырехмерное пространство-время, и все события во Вселенной должны происходить в нем. Экспериментально подтверждено, что частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно нее частице как сферическая, а по отношению к налетающей на нее с очень большой скоростью частице – как сплющенный в направлении движения диск. Время жизни медленно движущегося заряженного пи-мезона составляет примерно 10–8 с, а движущегося со скоростью, близкой к скорости света – во много раз больше. Итак, пространство и время – общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.

Согласно общей теории относительности (А. Эйнштейн, 1912 г.), массы, создающие поля тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Причем, чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне гравитационного поля. Следовательно, можно экспериментально сравнить ход одинаковых часов, удаленных на различное расстояние от Земли и Солнца. Такие сравнения проводились неоднократно с помощью искусственных спутников Земли и космических станций. Результаты измерений прекрасно согласуются с предсказанием общей теории относительности. Кроме того, лучи света распространяются в искривленном пространстве по искривленной траектории. Например, лучи от далекой звезды, проходя вблизи Солнца, отклоняются от прямой, и это отклонение можно зарегистрировать. Такое явление наблюдается во время солнечных затмений. Согласие наблюдений с теорией полное. Еще одним прекрасным подтверждением искривления пространства является эффект так называемых гравитационных линз. Если за какой-нибудь галактикой находится квазар или другая галактика, то гравитационное поле более близкого объекта искривляет поток проходящих мимо от него лучей. В результате наблюдатель видит вместо одного далекого объекта несколько одинаковых его изображений. Сейчас известно более десятка подробных конкретных примеров на небе.

Рис. 1. Искривление световых лучей в поле тяготения Солнца. Тонкая линия – кажущееся направление на звезду.

Рис. 2. Схематическое изображение гравитационной линзы. Массивное тело С, расположенное между источником излучения И и наблюдателем Н, искривляет лучи, и наблюдатель видит два изображения источника: А и Б.

Решение уравнений общей теории относительности позволяет построить математическую модель, описывающую Вселенную в целом: ее геометрию и поведение вещества. Эйнштейн пытался решить эту задачу в 1917 г. При этом он исходил из концепции стационарной Вселенной. В 1922 г. российский ученый Александр Фридман, решая уравнения общей теории относительности, получил неожиданный результат: Вселенная не может быть стационарной! Она должна либо сжиматься, либо расширяться. Какой же выбор сделала Природа из двух возможностей? Вселенная расширяется. Прекрасным экспериментальным доказательством расширения Вселенной является «красное смещение» в спектрах всех далеких источников света. Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Оно оказалось пропорционально расстоянию до источника, причем, чем дальше находится источник, тем в большей степени наблюдается красное смещение.

При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой, в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном гравитационном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т.е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему.

Итак, Эйнштейн объединил пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, в котором пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Расстояние между двумя точками (пространство) и длительность происходящих процессов (время) являются не абсолютными, а относительными. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, пространственные размеры тел сокращаются в направлении движения, события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него, масса тела увеличивается. Любая масса искривляет пространство и замедляет время за счет создаваемых гравитационных полей. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют относительный характер и они неотделимы от материи.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]