Пространство и время в современном естествознании

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Рыбинский государственный авиационный

технический университет имени П. А. Соловьева

 

ФЗО

 

Кафедра социологии

 

 

 

 

Контрольная работа

 

По дисциплине: «Концепции современного естествознания»

 

На тему: «Пространство и время в современном естествознании»

 

Вариант 9

 

 

 

 

Выполнил  Жохов Н. С.

Группа   ЗСП-13 

Преподаватель     д.ф.н. Гурьянов А. И.

Оценка:

Подпись преподавателя:

Дата:

 

 

 

 

 

 

Рыбинск,

2014

Содержание

 

 

 

 

Введение

 

В процессе создания естественно-научной картины мира возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных предметов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи со свойствами движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как геометрический параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время, как формы существования материи, изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления, которые стали ближе к действительности. Сорок - пятьдесят лет назад можно было наблюдать очень большой интерес к теории относительности со стороны широких кругов несмотря на то, что тогда в книгах и статьях по теории относительности речь шла об очень далеких от повседневного опыта и очень абстрактных вещах. Широкие круги проявили удивительное чутье, они чувствовали, что теория, с такой смелостью посягнувшая на основные представления о пространстве и времени, не может не привести при своем развитии и применении к очень глубоким и широким производственно - техническим и культурным последствиям. Это предчувствие не обмануло людей. Воплощением нового релятивистского учения об энергии, а следовательно, и всей теории относительности в целом является атомная эра, которая расширяет власть человека над природой больше, чем это сделали предшествующие научные и технические революции.

Атомная эра будет эрой дальнейших коренных преобразований физической картины мира. Сейчас нельзя предвидеть, каким образом изменятся представления о пространстве, времени, движении, элементарных частицах и их взаимодействиях. Можно указать только на некоторые проблемы современной физики, которые, видимо, будут решены лишь при переходе к новой физической картине мира.

 

1 Развитие представлений о пространстве и времени

 

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, однако их рассуждения носили стихийный и нередко противоречивый характер. Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.

Вершиной классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно Ньютон в своей знаменитой книге «Математические начала натуральной философии» ввел господствовавшие в науке до начала XX в. понятия пространства и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предложил различать два типа этих понятий:

– абсолютные (истинные, математические),

– относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, всегда остается одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно. Абсолютное время можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это — минута, час, день, месяц, год. С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании.

Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время — как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он говорил о неразрывной связи материи с пространством и временем. Однако взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона. Сформулированные им законы движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой классической механики, основывались на понятиях абсолютного пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки идей Ньютона предпочли не обращать внимания. Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсолютного пространства и времени относительными. Тем не менее утверждение новых взглядов на пространство и время произошло только в начале XX в. после создания А. Эйнштейном теории относительности. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, свойства материальных тел, существующие только вместе друг с другом и с движущейся материей.

 

2. Эксперимент Майкельсона-Морли. Принцип относительности Галилея

 

Прежде чем говорить о теории относительности, необходимо рассмотреть эксперимент, оказавший влияние на формирование взглядов А. Эйнштейна. Значение этого эксперимента настолько велико, что более чем 100 лет спустя после его проведения он описан во всех учебниках и энциклопедиях.

Американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931 гг.) (Нобелевская премия 1907 г.), осуществил сложнейший опыт по исследованию скорости света относительно неподвижного эфира.

Суть эксперимента заключалась в сопоставлении скорости распространения света одновременно в двух направлениях: вдоль движения Земли вокруг Солнца и в перпендикулярном направлении.

Необходимость сравнения скоростей света была продиктована желанием доказать существование эфира - среды, в которой распространяются световые волны. Все волны, известные физикам в конце XIX в., распространялись в различных средах. Было предположено, что и для световых волн не должно быть исключения. Эфир должен был обладать следующими свойствами: высокой плотностью, сверхпроницаемостью и абсолютной неподвижностью. Первое свойство вытекало из высокой частоты световых волн. Второе отвечало экспериментам по распространению света в вакууме при лабораторных экспериментах. Третье свойство соответствовало представлению физики Ньютона об абсолютной системе координат.

Точность эксперимента Майкельсона позволяла получать различия в скорости распространения света порядка 106. Опыты проводились Майкельсоном и Морли в 1885-1887 гг., а в 1964 г. другие американские физики повторили опыт с использованием новейших достижений - результаты с большей точностью подтвердили отсутствие различий в скоростях распространения света. Следовательно, отсутствует и эфир - предполагаемая с XIX в. среда, проводящая электромагнитные волны.

Основой СТО стало расширенное применение принципа относительности Галилея. Напомним, что еще в 1636 г. Галилео Галилей сформулировал принцип равноправия любых инерциальных систем координат. Этот принцип полагал, что все механические процессы протекают одинаково независимо от того, происходят ли они в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Полемизируя с противниками теории Коперника, Галилей разбил важный аргумент, выдвигаемый ими против движения Земли. Его оппоненты утверждали, что при вращении Земли вокруг своей оси камень, брошенный с высоты, упадет не точно вниз, а сместится в сторону, так как Земля во время полета камня успеет повернуться. Не наблюдая подобных явлений (камни падали строго вертикально), сторонники геоцентризма утверждали неподвижность Земли.

Галилей предложил рассмотреть процессы, происходящие на корабле, стоящем у причала, и на судне, равномерно и прямолинейно плывущем в открытом море. И в первом, и во втором случае не удается заметить различия в поведении воды, капающей из подвешенного сосуда в сосуд на полу. И хотя Галилею не удалось доказать вращение Земли вокруг своей оси (это доказательство нашел французский физик Ж.Б.Л. Фуко в 1850 г., исследовав качание 67-метрового маятника, подвешенного в Пантеоне (Париж, Франция)), но он доказал невозможность опровергнуть движение Земли с помощью механических процессов.

Объяснение результатов эксперимента Майкельсона-Морли и расширенное применение принципа относительности Галилея позволили А. Эйнштейну создать специальную теорию относительности. Рассмотрим, как это удалось сделать немецкому ученому.

 

3. Специальная теория относительности  А. Эйнштейна

 

Постулаты специальной теории относительности (СТО) были сформулированы Альбертом Эйнштейном в 1905 г. Эти положения принимаются без доказательств и являются фундаментальными утверждениями. Их применение позволило Эйнштейну объяснить явления, в которых частицы двигаются со скоростями, близкими к скорости света.

Первый постулат называется принципом относительности Эйнштейна: «Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета». Напомним, что инерциальной системой отсчета будет считаться такая система, которая движется равномерно и прямолинейно. Иными словами, эта система не ускоряется, не тормозится и не движется по окружности. В такой системе невозможно с помощью эксперимента проверить состояние самой системы - движется она или находится в состоянии покоя. Формулировка первого постулата вытекает из теоретического объяснения результатов опыта Майкельсона-Морли. (Любопытный студент может задаться вопросом о непрямолинейности движения Земли по орбите, но Земля уклоняется на 3 мм, пройдя путь в 300 км, и таким искривлением можно пренебречь.) Вводя первый постулат, Эйнштейн расширяет границы применимости принципа относительности Галилея.

Второй постулат носит название принципа постоянства скорости света. «Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью с, не зависящей от состояния движения излучающего тела».

Пусть свет всегда в вакууме распространяется с постоянной скоростью, но тогда при переходе к инерциальной системе придется зафиксировать изменение скорости света при движении в сторону его источника или удаляясь от источника света. Мы вынуждены нарушить принятый постулат. И еще опровергнуть результаты опыта Майкельсона.

Оба постулата кажутся противоречащими друг другу. Тем не менее А. Эйнштейн соединяет их в единую теорию и строит новую физическую картину мира. Введенные Эйнштейном постулаты изменили представления физиков об окружающем мире. Из этих двух положений выросла новая модель мира. Эйнштейн и Фридман (о нем речь еще впереди) третий раз в истории человечества изменили основы научного представления о Вселенной. Напомним, что первый раз это сделали Аристотель (создав основы античной физики), Гиппарх и Птолемей (создав гелиоцентрическую систему мира), а второй - Коперник, Кеплер, Ньютон (предложив, уточнив и сформулировав гелиоцентрическую систему мира и создав основы классической физики).

 

4. Относительность одновременности  событий

 

В классической механике события могут быть одновременными. Это привычно и не вызывает сомнений. Установить одновременность просто: если события наблюдаются одновременно, то они одновременны, если наблюдать их нельзя сразу, то мы можем сопоставить время их наступления по часам. «В Москве пятнадцать часов… в Петропавловске-Камчатском - полночь», - говорит диктор радио. Если в этот момент в городе на Камчатке звучал выстрел из пушки, а в Москве раздавался звонок с урока, то эти события были одновременны. Их можно было сравнить с помощью действующего часового механизма. Так привычно, но за этой привычкой скрывается неявное допущение. Скорость передачи сигнала о событии принимается мгновенной или пренебрежимо малой по отношению к самому событию.

Скорость света - наибольшая в природе, позволяющая передавать информацию. Большие скорости передачи информации физике не известны. Поэтому наиболее точно устанавливать одновременность событий возможно только с помощью света. Напомним, что электромагнитное излучение включает в себя инфракрасные волны, видимый свет, ультрафиолетовый диапазон, рентгеновские лучи. Пришли волны от разных источников одновременно, значит, события для наблюдателя стали одновременными. А кто опоздал, тот, значит, был позже. Таким образом, получается, что два наблюдателя, находящихся по разные стороны от двух событий, увидят различную последовательность происходящего? Рассмотрим систему координат, в которой одновременно произошли события С1и С2. Пусть наблюдатель находится ближе к месту, в котором произошло событие С1, свет до наблюдателя дойдет быстрее, чем от события в точке С2. Другой наблюдатель, расположенный ближе к точке С2. увидит другую последовательность событий. Кто из этих двух наблюдателей прав? Правы оба, но только не в абсолютном, а в относительно смысле. Каждый из наблюдателей прав, так как каждый видел истинную картину происходящего, но относительно своего местоположения.