3.1.Основные свойства пространства и времени

Пространство и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существо­вания отдельных объектов, время - порядок смены изменений явлений и объектов.

Свойства пространства, свободного от силовых полей (классическая концепция):

1.Трёхмерность.

2.Плоскостность, то есть подчинение геометрии Евклида.

3.Однородность, то есть все точки пространства равноправны (пространство инвариантно по отношению к параллельному пе­реносу)

4.Изотропность, то есть все направления равноправны (пространство инвариантно по отношению к повороту).

5.Непрерывность вплоть до 10^-18м (затем пространство ста­новится дискретным или зернистым); квант пространства равен 10^-35м (предположительно).

Свойства времени:

1.Одномерность.

2.Однородность, то есть одно и то же событие развивается одинаково в разные моменты времени.

3.Анизотропность, то есть для времени характерно выделен­ное направление - "стрела времени": все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему.

4.Непрерывность вплоть до 10^-23с; квант времени равен 10^-43с (предположительно).

В релятивистской механике (от лат. relativus – относительный), когда скорость движения тела сравнима со скоростью света, выявилась зависимость пространственно - временных характеристик объектов от скорости их движения.

Частная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум: пространство – время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел - скорости света в вакууме с = 3  10⁸ м/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух собы­тий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, равномерно движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.

Общая теория относительности (ОТО) вскрыла зависи­мость метрических характеристик пространства времени от распределения гравитационных масс, наличие которых приводит к искривлению прос­транства - времени, при этом такие категории как конечность и бесконечность также обнаружили свою относительность.

3. 2. Принципы относительности и инвариантность. Симметрия

Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета (движущихся без ускорения) законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности – принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте кораб­ля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем опреде­лить, движется ли корабль, не выглянув в окно.

Пуанкаре распространил принцип относительности на все элек­тромагнитные процессы, а Эйнштейн использовал его для частной теории относительности.

Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с законами сохранения и вообще с законами природы.

Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Из частной теории относительности вытекает ряд инвариантов для инерциальных систем отсчета: скорость света, масса, электрический заряд, интервал и д.р. Они остаются неизменными относительно преобразований Лоренца, предложенных им в 1904 г., еще до появления теории относительности, как преобразова­ния, относительно которых уравнения Максвелла инвариантны.

Релятивистский эффект замедления времени экспериментально подтвержден при исследовании нестабильных, самопроизвольно рас­падающихся элементарных частиц в опытах с пи-мезонами.

Частная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современ­ную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время од­нородно, а пространство однородно и изотропно. Частную теорию относительности часто называют релятивистской теорией, а специфические явле­ния, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом. В основе частной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1)принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в ва­кууме не зависит от скорости движения источника или наблюдателя, и одинакова во всех инерциальных системах отсчета (с = 3  10⁸м/с).

В соответствии с первым постулатом все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. явления механические, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы. Она не зависит от скорости движения источника и приемника света.

Частная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.

Из частной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени.

Симметрия – это инвариантность в неизменности свойств системы при изменении (преобразовании) её параметров. Так кристалл может быть совместим с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований системы.

Крупнейшие открытия в физике ХХ века связаны с изучением различных симметрий. Можно расширить понятие симметрии и назвать группой симметрии такие преобразования пространства и времени, при которых формы записи уравнений или комбинации физических величин остаются неизмененными. В этом смысле говорят о симметрии физических законов, исследовании свойств симметрии физических явлений для познания фундаментальных закономерностей Природы. Вся гармония Природы должна, в конечном счете, быть выражена и обобщена принципиальным математическим единством её законов.