Тема 3. Теории пространства и времени.

План:

1. История воззрений на проблему нашего пространства. Концепция классической механики Ньютона.

2. Законы сохранения, как следствие свойств пространства.

3. История воззрений на проблему времени, время в классической механике.

4. Несоответствие классических представлений экспериментальным данным, возникновение СТО и ОТО, их основные положения и следствия.

5. Понятия о калибровочных теориях пространства. Размерность нашего пространства.

1.История воззрений на проблему нашего пространства. Концепция классической механики Ньютона.

Древние греки стремились осмыслить пространство и время научно. Так возникли две точные науки: геометрия и астрономия. Первая возникла из потребности измерять пространство, а вторая – время. Существует две концепции в понимании пространства и времени.

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).

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.

 

Реляционная концепция (Аристотель – Г. Лейбниц)

Пространство и время не особые субстанциальные сущности, а формы существования материальных объектов. Пространство выражает сосуществование объектов, характеризует структурность и протяженность материальных систем. Пространственными характеристиками являются координаты других тел. Время – последовательность состояний тел, мера движения, продолжительности процессов.

Свойства пространства

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

• объективность пространства и времени;

• всеобщность пространства и времени

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).

 

Развитие представлений о пространстве
Пураны (1 тыс. до н.э.)	Пространство многомерно. «Слоистое бытие». Картина мира сообразна познавательным возможностям наблюдателя. Физический «носитель» пространства – бесконечный и однородный эфир, который является праосновой вещества.
Эвклид (3 в. до н.э.)	Положение в пространстве определяется через три координаты – широту, долготу и высоту.
Р. Декарт (1596–1650)	Физи­ческий мир имеет две составляющие: материю (простая «протяженность, наделенная формой») и движение. Протя­женность заполнена «тонкой материей», которую Бог наделил не­прерывным движением. Все законы действуют механически. Вес, как и любая сила, является свойством движе­ния тонкой материи, отождествляемой с пространством. Декартово представление о флюидах, заполняющих пространство, господствовало в науке вплоть до XIX в., оказав существенное влияние на развитие таких разделов физики, как оптика и электри­чество.
И. Ньютон (1643–1727)	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.
Лобачевский Н.И. (1792-1856)	Геометрия пространства определяется величиной и распределением масс. Наше реальное пространство оказывается неевклидовым.
Максвелл (1831–1879)	Автор теории электромагнетизма, в которой распространение световых сигналов объясняется как движение от­носительно эфира – некоей жидкости, заполняющей пространство. Свет распространяется в эфире с постоянной скоростью, но зависит от «упругости» эфира.
Современные представления	В дальнейшем, опыты не подтвердили существование такой жидкости в пространстве. Эйнштейн, однако, полагал, чтоконтинуум, наделенный физическими свойствами, необходим. Сейчас используют понятие «физический вакуум» – пространство, где нет вещества, но есть энергия. Физический вакуум насыщен виртуальными частицами, которые переходят в микрочастицы реальные.