9. Специальная теория относительности

В основе специальной теории относительности, созданной Лоренцем, Пуанкаре и Эйнштейном и представляющей собой фактически физическую теорию пространства и времени, лежат два постулата: принцип относительности; принцип постоянства скорости света.

Принцип относительности утверждает, что все тождественные физические явления в любых инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных и граничных условиях протекают одинаково. Другими словами, все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой, т. е. уравнения, выражающие законы природы, имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Несмотря на то что приведенная формулировка принципа относительности отличается от той, что дал Пуанкаре, в физическом смысле обе формулировки тождественны. Этот постулат распространяет принцип относительности Галилея на все физические явления природы. Это означает, что все инерциальные системы отсчета равноправны и никакие опыты (механические, электромагнитные и т. п.), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно.

Принцип постоянства скорости света гласит, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум «пространство-время», (см. преобразования Лоренца) причем она, как и классическая ньютоновская механика, предполагает, что время однородно, а пространство однородно и изотропно

10. Общая теория относительности эйнштейна

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени было сделано Эйнштейном в 1915 году в общей теории относительности, называемой иногда теорией тяготения. В ней Эйнштейн расширил принцип относительности, распространив его на неинерциальные системы отсчета, и использовал принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс (отношение инертной массы к гравитационной одинаково для всех тел), который непосредственно следует из установленного еще Галилеем факта одинаковости ускорения различных тел при их свободном падении.

Используя законы классической механики, покажем, что отношение инертной m ин и гравитационной m гр масс одинаково для всех тел. Предположим, что вниз одновременно начинают падать два разных тела. На каждое из тел действует сила тяжести. На первое тело действует сила тяжести, равная F 1 = m гр1g , а на второе – F 2 = m гр2g , где g – ускорение свободного падения. Согласно второму закону Ньютона, под действием этих сил тела будут двигаться с ускорениями соответственно a 1 и a 2, причем в качестве коэффициентов пропорциональностей между силами и ускорениями будут выступать их инертные массы m ин1 и m ин2: F 1 = m ин1a 1 и F 2 = m ин2a 2. Из этих рассуждений непосредственно следует, что m гр1g = m ин1a 1 и m гр2g = m ин2a 2. Галилей экспериментально показал, что все тела при отсутствии сопротивления падают с одинаковым ускорением, т.е. отношение ускорений равно единице, или a 1/a 2 = (m гр1/m ин1)(m ин2 /m гр2) = 1.

Это возможно только при пропорциональности инертной и гравитационной масс. Последние эксперименты подтверждают равенство mин = mгр с высокой точностью (относительная ошибка измерений не превышает 10-11).

Общая теория относительности объяснила сущность тяготения, состоящую в изменении геометрических свойств, искривлении четырехмерного пространства-времени вокруг тел, которые образуют поле тяготения. В рамках общей теории относительности Эйнштейну удалось получить уравнение, описывающее поле тяготения.

Для проверки своей теории Эйнштейн предложил три эффекта:

• искривление светового луча в поле тяготения Солнца;

• смещение перигелия Меркурия;

• гравитационное красное смещение.

Эти эффекты, как показали последующие эксперименты, действительно существуют и количественно правильно предсказывались ОТО (с приемлемой на тот исторический момент времени погрешностью).

11.Методологическое и мировоззренческое значение категории «материя» обнаруживается сразу же, как только мы задаемся вопросом: каким образом существует окружающие нас материальные предметы и явления.

Эта категория позволяет вскрыть универсальные, то есть свойственные всем предметам и явлениям формы и способы бытия. Ими являются движение, время и пространство.

Эволюция представлений о пространстве и времени

Мифология

Человек всегда живет в неком пространстве, осознавая свою зависимость от таких его характеристик, как размеры, границы, объемы = он сосуществует с пространством.

Для древних людей, мифологического сознания характерно понимание пространства как противостоящего хаосу или пустоте, в которых порядок отсутствует. Пространство заполнено вещами и предметами, одухотворено и разнородно. Оно – некая причина, из которой далее возникают другие свойства бытия. Процесс постепенного преобразования хаоса в пространство, как нечто оформленное: пространство вытесняет хаос посредством его заполнения различными существами, животными, духами и богами. Миро[мифо]воззренческие представления, относящиеся к пространству, скорее конструируют пространство, нежели отражают его. Мир возникает из хаоса, пространство образовано конструктами, а не вмещает их.

Для архаичных представлений о пространстве характерно свойство развертывания, растекания, пространения пространства по отношению к особому мировому центру как некоей точке, «из которой совершается или некогда совершилось это развертывание» (пуп Земли).

Пространство состоит из частей, упорядоченных определенным образом. Право-лево, верх-низ, центр – периферия (задается телом человека). Оболочка человеческого тела + телесность как таковая (тело мира – тело древнего бога, смерть которого дала жизнь миру), Индра – сын Неба и Земли.

В мифологическом сознании для пространства характерна определенная культурная заданность значения места, в котором может оказаться человек. Центр пространства – это место особой сакральной ценности. Внутри географического пространства оно ритуально обозначается (столб, дерево, позднее – храм, крест). Периферия пространства – это зона опасности, которую в сказках и мифах должен преодолеть герой. Иногда это даже место вне пространства (в хаосе), что фиксируется выражением типа «иди туда, не знаю куда». Победа над этим местом и злыми силами обозначает факт освоения пространства человеком, то есть «приобщение его космизированному и организованному «культурному» пространству» (подвиги Геракла).

Важнейшим свойством в ранних представлениях о пространстве выступает то, что оно не отделено от времени, образуя особое единство – хронотоп. Давайте никуда не пойдем, ведь здесь сейчас так хорошо, хотя если здесь и сейчас хорошо, то нам все равно, куда идти.

От времени в древности человек ощущал еще большую зависимость, с ним было связано понимание смерти как остановки индивидуального времени. Человек жил во времени и боялся его. (В древнегреческой мифологии Крон, один из сыновей-титанов Урана, по наущению матери, мстившей за сброшенных в Тартар сыновей-циклопов, восстает против отца и оскопляет его серпом. «Крон как Хронос – «отец-время» с его неумолимым серпом». Образ неумолимости серпа времени как всепожирающей силы, перед которой ничто не может устоять. Крон получает власть над Землей, зная по предсказаниям, что его должен свергнуть один из его сыновей. Тогда он пожирает всех сыновей, но Зевса удается спрятать. Он побеждает Крона, и наступает время царствования олимпийцев. «Человекоразмерное» время.)

Итак: «начала времен», первовремя, прасобытия (линейное время). Нечеловекоразмерное время. Или хаос, или золотой век (Библия: Дух летал над водой, 7 дней творения; время титанов и циклопов; время Святогора).

Постепенно линейная модель – в циклическую, в человекоразмерное время.

Таким образом, пространство и время выступали важнейшими компонентами построения картины мира. Понимание единства пространства и времени определяло их место в понимании устройства Космоса, который состоял из особого рода пространственных и временных сакральных точек как неких одухотворенных точек мира.

Античность

В Древней Греции в русле атомизма (Левкипп, Демокрит) появилось представление о бесконечном пустом пространстве, в котором только и возможно движение. Пространство атомистов лишено центра, вечно, не имеет границ. Эпикур, однако, лишил его изотропности, сохранив избранные направления "вверх" и "вниз" для объяснения падения тел. В представлениях других философских направлений пространство имеет границу и центр, верх и низ. (Изотропность — одно из ключевых свойств пространства в классической механике. Пространство называется изотропным, если поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению результатов измерений.)

Пространство мира Аристотеля - конечно, наполнено воздухом и заполнено местами для объектов, неоднородно и анизотропно, (Анизотропный - т. е. двоякопреломляющий.) является ареной и участником событий. Окоем. В этом мире мы и жили вплоть до Ренессанса. Аристотель "навсегда" представил пространство, время и движение непрерывными, бесконечно делимыми.

Пространство Евклида вполне адекватно "метательной" кинематике твердых тел. Евклид обеспечил практикам средства измерения и сравнения длин, площадей и объемов объектов самой различной формы. Абстрактное пространство Евклида однородно и изотропно, бесконечно делимо и безгранично. Геометрия Евклида до сих пор питает нашу пространственную интуицию и философию.

Цикличность. Представления о прошлом, настоящем и будущем, о потоке и длительности времени.

Все в одном месте – Олимп находится рядом.

Открытые храмы (доверие миру, нет разделения на внутреннее и внешнее пространство, все пространство – сакрально).

В Средневековье:

Августин (354 – 430 гг.), линейность времени и направление: «Что такое время? Пока никто меня о том не спрашивает, я понимаю, нисколько не затрудняюсь; но как скоро хочу дать ответ об этом, я становлюсь совершенно в тупик... До сотворения мира времени не было. Творением вызвало некоторое движение; моменты этого движения в мире и есть время… Где же пребывает это неуловимое время?... Время существует только в нашей душе. Прошлое – в памяти, будущее – в ожидании». (Исповедь).

В Средние века пространство Вселенной получило дополнительное оснащение: ад и рай о девяти кругах каждый; структуры, вмещающие ангелов и Бога и траектории небесных тел.

Божественный порядок, ордер, человекоразмерно: меры длины – человеческие части + дни ходьбы. При этом – большая лягушка в лесу. Герои, которые стерегут расколы мира с мечом в руках.

Отмечался Эдем на картах.

Возрождение:

Появляется понятие бесконечности

Ренессанс восстановил представление об однородном, пустом, бесконечном абстрактном пространстве и разместил в нем системы отсчета. "Вселенная есть сфера, центр которой всюду, а окружность нигде" (Николай Кузанский).

Бесконечность. Эпоха Великих географических открытий: Америка (1492) и прочие. 15 – первая половина 17 века.

В трехмерном пространстве Галилея свободное движение происходит по окружности, а не по бесконечной прямой. Пространство Галилея однородно: законы механики одинаковы во всех его точках. Пустоту Галилей изобретательно ввел как бесконечное количество пустот, лишенных величины.

Часы появляются на городских площадях в 14-15 веках, минуты не показывают.

Новое время: пустое пространство Ньютона

В Новое время ученые продолжают обсуждать конечность и бесконечность, дискретность и непрерывность пространства, связь пространства и времени, движения и материи (материя определяет пространство или наоборот?).

Философы различают пространства реальное ("на самом деле"), концептуальное (в науке и в искусстве), перцептуальное ("данное нам в чувственном восприятии"). В мифе все они объединены, в философии отождествлены реальное и концептуальное, в науке - концептуальное и перцептуальное.

В Новое время европейцы арифметизировали плоскость введением координат. Расстояние (x,y) между точками x = (x1,x2) и y = (y1,y2) не измеряется, а вычисляется.

Пары координат - векторы - можно складывать и умножать на число: на плоскости определены арифметические операции над точками (векторами).

Следующий шаг: количество координат (размерность пространства!) перешагнуло порог наглядности, но осталось конечным. Терминология сохранилась, формулы - "удлинились". Пространство стало протяженным многообразием (Грассман).

Современность

На первое место вышли проблемы концептуального пространства.

В начале ХХ века сделан еще один шаг: число координат стало "бесконечным".

Это - (арифметическое) гильбертово пространство l2.

12. Данная картина мира явилась результатом дальнейшего развития электромагнитной картины мира. Эта картина мира отражает уже единство электромагнитной и механистической картин мира на основе принципа дополнительности