Движение, пространство, материя, время.

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Движение, пространство, материя, время.

Между порядком и хаосом

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

1. Какой опыт выявил противоречия с классическими представлениями о пространстве и времени?

2. Как теория относительности изменила наши взгляды на пространство, время и материю?

3. Что означает взаимосвязь пространства и времени и как она проявляется?

4. Какое значение для развития науки имеет теория относительности?

5. Что характерно для подобных процессов?

6. Что называют самоорганизацией?

7. Как проявляется самоорганизация в природе?

Теоретический материал

О том, как устроен материальный мир, человек пытался понять с давних времён. Как Вы знаете, ещё с античной эпохи существовало два подхода к объяснению природы. По одним представлениям в основе всего, что существует, лежит непрерывная, однородная материя, заполняя собой всё, она не оставляет пустоты. Это представление получило название континуальное (от лат. continuum – непрерывное, сплошное). Представителем такого объяснения материального мира был, например, древнегреческий философ Аристотель. Истоки противоположной концепции, объяснявшей материальный мир как дискретный (от лат. discretus – разделённый, прерывистый), структурный, состоящий из бесконечного числа неизменных и неделимых частиц (атомов), движущихся в пустоте, связывают с учением древнегреческого философа Демокрита. Надо сказать, эти представления о строении материи неразрывно связаны с такими понятиями как движение, пространство и время. Так, представления о дискретности материи приводили к пониманию пространства как пустого вместилища, абсолютного и неизменного, в которое помещены атомы, меняющие в нём свое положение в процессе движения, длящегося во времени. Пространство и время никак не связаны ни с самими движущимися атомами, ни между собой. Такое представление о пространстве и времени получило название субстанциональное (от лат. substantia – сущность) – время и пространство – отдельные субстанции или сущности (как материя). А как же тогда представляется пространство и время с противоположной позиции описания материального мира? Ведь если материя непрерывна и заполняет собою всё пространство, то существует только пространство заполненное материей, без материи пространство существовать не может (пустота не существует). Движение материи рассматривается как происходящее с ней изменение, а время характеризует последовательность состояний материальных объектов. Такое представление о пространстве и времени получило название реляционное (от лат. relation – соотношение) – пространство и время характеристики материи, и без неё существовать не могут.

В процессе познания человеком природы развивались и его представления о матери, движении, пространстве и времени, однако, противостояние двух концепций, объясняющих материальный мир, сохранялось в течение столетий. Успехи физики в познании определенных природных явлений и процессов попеременно укрепляли позиции то одной, то другой концепции. Вплоть до конца XVII века господствующее положение занимали континуальные представления, интерпретированные в рамках аристотелевской философии. Следует отметить, что Аристотель, будучи одним из выдающихся мыслителей античности, в своих трудах предпринял попытку обобщить и систематизировать все накопленные к тому времени знания. Так, в руде «Физика» философ излагает свои воззрения на природу и развивает концепцию движения, приводя его формы и причины. При этом движение понималось достаточно широко – как любое изменение, переход из одного состояния в другое.

Становление физики в XVII веке, ознаменованное экспериментами Галилея и созданием Ньютоном основ классической механики, которая основывалась на представлениях о дискретности материи и абсолютности пространства и времени, существенно укрепило позиции атомистики. В то же время представление о непрерывности материи нашло свое отражение в развитии концепции эфира и волновой оптики (Р. Декарт, Х. Гюйгенс).

Механическая физическая картина, которая вплоть до середины XIX века претендовала на статус универсальной, рисовала материальный мир как слаженный механизм, запущенный однажды создателем. Всё в этом мире может быть описано законами механики и жестко детерминировано. В неизменном пространстве перемещаются абсолютно непроницаемые и неделимые частицы (корпускулы, атомы), обладающие массой, и между которыми действуют силы, мгновенно передающиеся через пустоту.

Подробнее остановимся на том, как в классической физике понималось пространство и время. В рамках классических представлений пространство трехмерно. Чтобы описать положение тела или материальной точки в пространстве необходимо выбрать систему координат и указать ее координаты (х,у,z). Координаты, числа, определяющие положение тела в пространстве, зависят от выбора системы координат, а расстояния между телами будут в разных системах координат сохраняться. Пространство и время в классической модели существуют сами по себе – никак друг с другом не связаны. Т.е. движутся часы в пространстве или нет, время они будут показывать одинаковое. Также и измеренное расстояние будет одинаковым независимо от того в какой интервал времени оно производится. Свойства тел, которые находятся в области пространства, где производятся измерения времени и расстояния, никак не влияют на их результаты. Т.е. пространство и время никак не зависят от свойств материальных объектов.

С XIX века механическая картина мира, объясняющая все явления механическими законами и основывающаяся на дискретной модели реальности и концепции дальнодействия (мгновенная передача взаимодействия через пустое пространство), стала сдавать свои позиции. Изучение явлений электромагнетизма привело в середине XIX века к созданию Максвеллом новой теории – теории электромагнитного поля. Описывая электромагнитное поле как непрерывный материальный объект, а движение как распространение волн, эта теория укрепила позиции сторонников континуальной концепции.

Однако, электродинамика Максвелла, доказавшая, что свет является волной, распространение которой осуществляется со скоростью около 300000 км/с, не согласовывалась с принципом относительности Галилея. По существующим тогда представлениям всё мировое пространство заполняла всепроникающая тонкая среда, субстанция – эфир (от греч. aither – верхний слой воздуха). Пытаясь обнаружить эфир и влияние движения Земли вокруг Солнца на скорость распространения света, в 1887 году учёные Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели эксперимент, основанный на интерференции волн. Обнаружить изменение скорости света не удалось, она оставалась постоянной величиной, никак не зависящей от движения Земли вокруг Солнца. Полученный результат – постоянство скорости света в разных системах отсчета, противоречил закону сложения скоростей Галилея и классическим представлениям о пространстве и времени.

Созданная Альбертом Эйнштейном теория относительности смогла согласовать электродинамику Максвелла с принципом относительности Галилея. Однако это согласование стало возможным только благодаря отказу от классических представлений о пространстве и времени – независимости расстояния и течения времени от системы отсчёта. Теория относительности кардинальным образом изменила представление о пространстве, времени, материи и движении. Основываясь всего на двух постулатах – постоянстве скорости света во всех системах отсчёта и неизменности физических законов при переходе от одной системы отсчёта к другой (их инвариантности), Эйнштейну удалось установить взаимосвязь пространства и времени, их относительность (зависимость от распределения и движения материи). В физику вошло представление о четырёхмерном пространственно-временном континууме. Благодаря теории относительности была установлена связь между массой и энергией, эквивалентность тяжёлой и инертной массы и отклонение реальных свойств пространства от евклидовых («кривизна» пространства) под действием гравитационных полей физических тел.

Теория относительности, описывающая пространственно-временные свойства физических процессов, представляет собой два теоретических учения: специальную (частную) теорию относительности (СТО) – рассматривает взаимосвязь физических процессов в инерциальных системах отсчёта, и общую теорию относительности (ОТО) – рассматривает взаимосвязь физических процессов в неинерциальных системах. Общая теория относительности является релятивистской теорией гравитации.

Научные работы нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца и французского математика Жюля Анри Пуанкаре внесли существенный вклад в развитие идей теории относительности.

Какие же свойства пространства и времени следуют из специальной теории относительности?

Во-первых, время перестало рассматриваться как абсолютное. Одновременность двух событий в одной системе отсчёта не означает, что они будут одновременными в другой. Промежуток времени между двумя событиями, протекающими в одной системе отсчёта, будет отличаться от измеренного промежутка времени между этими же событиями в движущейся системе отсчёта. Т.е. время, которое показывают часы, зависит от того движутся часы или находятся в покое, в отличие от классических представлений, для которых это не имело значения.

Во-вторых, пространство также перестало рассматриваться как абсолютное. Расстояние между двумя точками, измеренными в одной системе отсчёта, будет отличаться от расстояния, измеренного между этими же точками в движущейся системе отсчёта. Размер тела будет зависеть от того движется тело или находится в покое. Например, длина тела, измеренная в покоящейся системе отсчёта, будет отличаться от его длины, измеренной в движущейся системе отсчёта.

Кроме того что, промежутки времени и промежутки расстояний зависят от системы отсчёта, они еще связаны между собой. При переходе из одной системы отсчёта в другую изменение промежутков расстояний и времени происходят таким образом, что, если временной параметр увеличивается, то пространственный при этом сокращается. Эту взаимосвязь описывают с помощью четырехмерного пространства-времени.

Для перехода из одной инерциальной системы отсчёта в другую в теории относительности используются преобразования Лоренца, вместо преобразований Галилея, справедливых для классической механики. Релятивистские эффекты проявляются при очень больших скоростях. При скоростях много меньше скорости света преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея.

В классической физике масса считалась величиной постоянной, т.е. движется тело или нет, его масса всегда одинакова. Согласно теории относительности масса тела не остается постоянной, а зависит от скорости. С увеличением скорости масса увеличивается. При этом при приближении скорости тела к скорости света, его масса стремится к бесконечности.

Кроме того, если в классической физике масса и энергия рассматривались раздельно, то теория относительности связала массу с энергией знаменитой формулой: E = mc². Т.е. даже покоящееся тело обладает энергией – энергией покоя. Энергия покоящегося тела пропорциональна его массе покоя. При движении тела его масса и энергия увеличиваются.

Закон сохранения массы и закон сохранения энергии, отдельно рассматриваемые в классической физике, были теорией относительности объединены в один закон – закон сохранения массы-энергии. При изменении энергии системы изменяется и ее масса: ∆m = ∆E/c².

Таким образом, согласно теории относительности одновременность событий, расстояния и промежутки времени не являются абсолютными, а зависят от системы отсчета. Эта связь проявляется в том, что при переходе из одной системы отсчёта в другую временные и пространственные промежутки изменяются. При этом эти изменения взаимосвязаны, т.е. если временной промежуток между событиями увеличивается, то пространственный сокращается. Эффекты изменений временных промежутков и расстояний объясняются на основе представления о четырехмерном пространстве-времени (пространственно-временной континуум).Удлинение временных промежутков и сокращение расстояний оказывается пропорционально коэффициенту

где v – скорость системы отсчета, а c – скорость света.

В любых доступных человеку системах отсчета этот коэффициент оказывается очень близким к единице. Именно поэтому опыт, накопленный в период развития физики до XX в., не позволял выявить данные свойства пространства и времени.

В заключение отметим, что теория относительности, изменив наши представления о пространстве и времени, не опровергла прежние представления. Новые свойства пространства, времени и материи проявляются лишь при очень больших скоростях. Теория относительности указала рамки, в которых прежние представления оказываются справедливыми. Данный факт называется принципом соответствия, согласно которому вновь возникающие теории не опровергают предшествующие теории, а лишь определяют границы их применения.

12 3 Следующая ⇒