Пространство и время

     Содержание 

1.Понимание  пространства и времени в специальной 

теории  относительности.        3

2.Сущность  понимания пространства и времени  в 

общей теории относительности.      9

3. Физический смысл (новизна) идей А.Энштейна.   12

4.Сообщение  по  качеству жизни, экологическим 

рискам, влиянию экологических факторов на

здоровье  человека и продолжительность его  жизни.   14

5.Список  используемой литературы      19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.Понимание  пространства и  времени в специальной  теории относительности. 

    Сначала рассмотрим понятие пространства и  понятие времени.

    Понятие пространства опирается на понятие  протяженности. Протяженность объекта  выражает его структурность, взаимоотношение  его частей. Обнаруживается протяженность  благодаря конечности скорости распространения  взаимодействий - для “движения” с  бесконечной скоростью любые  расстояния одинаковы, а именно точечны. Протяженность, следовательно, обусловлена  системной природой материи, выражая  ее многокачественность и многокомпонентность.

    Понятие времени базируется на понятии длительности. Длительность выражает несотворимость и неуничтожимость системно организованной материи, последовательное пребывание материальных объектов и явлений  в определенных состояниях.

    Опираясь  на сказанное и материалистически  интерпретируя известные положения  Г.Лейбница, можно дать следующие  определения:

    • пространство - это отношения взаимоположения  объектов, сосуществующих в некоторый  момент времени (при измерении пространственных размеров, обратим внимание, измеряемый объект совмещается с эталоном);

    • время - это отношения последовательности объектов, сосуществующих в некоторой  точке пространства (сравнение временных  параметров разноместных событий, обратим  внимание, требует синхронизации часов, что связано с комплексом не столь уж тривиальных допущений и процедур).

    Для пояснения определения пространства рассмотрим вопрос: о каких свойствах  запечатленных на ней объектов позволяет  судить фотография? Ответ очевиден: она отражает структуру, а потому и протяженность (относительные  размеры) этих объектов, их расположение относительно друг друга. Фотография, следовательно, фиксирует пространственные свойства объектов, причем объектов (в  данном случае это важно), сосуществующих в некоторый момент времени.

    Для пояснения определения времени  рассмотрим вопрос: почему мы имеем  возможность, глядя на киноэкран, судить о временных характеристиках  запечатленных на киноленте событий? Ответ очевиден: потому, что кадры  сменяют друг друга на одном и  том же экране, сосуществуя в этой “точке” пространства. Если же каждый кадр поместить на свой экран, то мы получим просто совокупность фотографий...

    Пространство  и время определены, отметим, через  противопоставление, соотнесение с  противоположным: момент времени, фигурирующий в определении пространства, не обладает длительностью, будучи отрицанием времени; точка пространства, фигурирующая в  определении времени, не обладает протяженностью, будучи отрицанием пространства.

    Выделим два следствия из определений  пространства и времени.

    Во-первых, пространство и время объективны.

    Во-вторых, пространство и время неразрывно связаны друг с другом и с движением  материи. Более того, пространство и  время - это стороны движения. В самом деле: поскольку пространство - это отношения сосуществующих в некоторый момент времени объектов, постольку оно есть то, что остается от движения, когда мы отвлекаемся от времени; поскольку время - это отношения объектов, сосуществующих в некоторой точке пространства, постольку оно есть то, что остается от движения, когда мы отвлекаемся от пространства. Таким образом, пространство и время не существуют вне движения материи, как и оно - вне пространства и времени. Это и дало основание Ф.Энгельсу утверждать: “...Основные формы всякого бытия суть пространство и время...”. Данный тезис, однако, еще нуждается в обосновании, как это станет ясным после рассмотрения основных подходов к пониманию природы пространства и времени, сложившихся в ходе развития науки.

     Еще в XVIII в. ученые пытались ответить на вопросы  о том, как передается гравитационное взаимодействие и как распространяется свет (позже вообще любые электромагнитные волны). Поиски ответов на эти вопросы  и явились причиной разработки теории относительности.

     Принцип относительности Галилея – это  принцип физического равноправия  инерциальных систем отсчёта в классической механике, проявляющегося в том, что  законы механики во всех таких системах одинаковы.

     Отсюда  следует, что никакими механическими  опытами, проводящимися в какой-либо инерциальной системе, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Это положение  было впервые установлено Г. Галилеем в 1636г.

     По  теории относительности А. Эйнштейна, что описание любого физического  события или явления зависит  от системы отсчета, в которой  находится наблюдатель. Если пассажирка трамвая, например, уронит очки, то для  нее они упадут вертикально вниз, а для пешехода, стоящего на улице, очки будут падать по параболе, поскольку  трамвай движется, в то время как  очки падают. У каждого своя система  отсчета.

     В XIX в. физики были убеждены, что существует так называемый эфир (мировой эфир, светоносный эфир). По представлениям прошлых столетий, это некая всепроникающая всезаполняющая среда. Развитие физики во второй половине XIX в. требовало от ученых максимально конкретизировать представления об эфире. Если предположить, что эфир подобен газу, то в нем  могли бы распространяться только продольные волны, а электромагнитные волны  – поперечные. Непонятно, как в  таком эфире могли бы двигаться  небесные тела. Имелись и другие серьезные возражения против эфира. В то же время шотландский физик  Джеймс Максвелл (1831–1879) создал теорию электромагнитного поля, из которой, в частности, следовала величина конечной скорости распространения  этого поля в пространстве – 300 000 км/с. Немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) доказал опытным путем идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного  «волнового движения». Он определил, что  электромагнитная сила действует со скоростью 300 000 км/с. Больше того, Герц установил, что «электрические силы могут отделяться от весомых тел  и существовать далее самостоятельно как состояние или изменение  пространства». Однако ситуация с эфиром ставила много вопросов, и для  отмены этого понятия требовался прямой эксперимент. Идею его сформулировал еще Максвелл, предложивший использовать в качестве движущегося тела Землю, которая перемещается по орбите со скоростью 30 км/с. Такой опыт требовал крайне высокой точности измерений. Эту труднейшую задачу в 1881 г. решили американские физики А. Майкельсон и Э. Морли. Согласно гипотезе «неподвижного эфира», можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь «эфир», а скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления движения Земли в эфире (то есть свет направляется по движению Земли и против). Скорости при наличии эфира должны были быть различными. Но они оказались неизменными. Это показывало, что эфира нет. Этот отрицательный результат стал подтверждением теории относительности. Опыт Майкельсона и Морли по определению скорости света неоднократно повторялся позднее, в 1885–1887 гг., с тем же результатом.

     В 1904 г. на научном конгрессе французский  математик Анри Пуанкаре (1854–1912) высказал мнение, что в природе не может  быть скоростей, больших скорости света. Тогда же А. Пуанкаре сформулировал  принцип относительности как  всеобщий закон природы. В 1905 г. он писал: «Невозможность доказать путем опытов абсолютное движение Земли является, очевидно, общим законом природы». Здесь же он указывает на преобразования Лоренца и на общую связь пространственных и временных координат.

     Альберт Эйнштейн (1879–1955), создавая специальную  теорию относительности, о результатах  Пуанкаре еще не знал. Позже Эйнштейн напишет: «Я совершенно не понимаю, почему меня превозносят как создателя теории относительности. Не будь меня, через год это бы сделал Пуанкаре, через два года сделал бы Минковский, в конце концов, более половины в этом деле принадлежит Лоренцу. Мои заслуги преувеличены». Однако Лоренц со своей стороны в 1912 г. писал: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первым выразил принцип относительности в виде всеобщего, строгого закона».[1] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2.Сущность  понимания пространства  и времени в  общей теории относительности. 

     После опубликования специальной теории относительности в 1905 г. А. Эйнштейн обратился к современному представлению  тяготения. В 1916 г. он опубликовал общую  теорию относительности (ОТО), которая  с современных позиций объясняет  теорию тяготения. Она основывается на двух постулатах специальной теории относительности и формулирует  третий постулат – принцип эквивалентности  инертной и гравитационной масс. Важнейшим  выводом ОТО является положение  об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в  гравитационных полях (а не только при  движении с большими скоростями). Этот вывод связывает ОТО с геометрией, то есть в ОТО наблюдается геометризация  тяготения. Классическая геометрия  Евклида для этого не годилась. Новая геометрия появилась еще  в XIX в. в трудах русского математика Н. И. Лобачевского, немецкого – Б. Римана, венгерского – Я. Больяйя.

     Геометрия нашего пространства оказалась неевклидовой.

     ОТО – физическая теория, в основе которой  лежит ряд экспериментальных  фактов. Рассмотрим некоторые из них. Гравитационное поле влияет на движение не только массивных тел, но и света. Луч света отклоняется в поле Солнца. Измерения, проведенные в 1922 г. английским астрономом А. Эддингтоном  во время солнечного затмения, подтвердили  это предсказание Эйнштейна.

     В ОТО орбиты планет незамкнуты. Небольшой  эффект такого рода можно описывать  как вращение перигелия эллиптической  орбиты. Перигелий – это ближайшая  к Солнцу точка орбиты небесного  тела, которое движется вокруг Солнца по эллипсу, параболе или гиперболе. Астрономам известно, что перигелий  орбиты Меркурия поворачивается за столетие примерно на 6000. Это объясняется  гравитационными возмущениями со стороны  других планет. При этом оставался  неустранимый остаток около 40» за столетие. В 1915 г. Эйнштейн объяснил это  расхождение в рамках ОТО.

     Существуют  объекты, в которых эффекты ОТО  играют определяющую роль. К ним  относятся «черные дыры». «Черная  дыра» возникает тогда, когда  звезда сжимается настолько сильно, что существующее гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство даже свет. Поэтому из такой звезды не исходит никакой информации. Многочисленные астрономические наблюдения указывают  на реальное существование таких  объектов. ОТО дает четкое объяснение этому факту.

     В 1918 г. Эйнштейн предсказал на основе ОТО  существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны. Гравитационные волны должны распространяться с  той же скоростью, что электромагнитные, то есть со скоростью света. По аналогии с квантами электромагнитного поля принято говорить о гравитонах как  о квантах гравитационного поля. В настоящее время формируется  новая область науки – гравитационно-волновая астрономия. Есть надежда, что гравитационные эксперименты дадут новые результаты.

     На  основании уравнений теории относительности  отечественный математик-физик А. Фридман в 1922 г. нашел новое космологическое  решение уравнений ОТО Это  решение указывает на то, что наша Вселенная не стационарна, она непрерывно расширяется. Фридман нашел два  варианта решения уравнений Эйнштейна, то есть два варианта возможного развития Вселенной. В зависимости от плотности  материи Вселенная или будет  и далее расширяться, или через  какое-то время начнет сжиматься.

     В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл  экспериментально установил закон, который определяет скорость разлета  галактик в зависимости от расстояния до нашей галактики. Чем дальше разбегающаяся  галактика, тем больше скорость ее разбегания. Хаббл использовал эффект Доплера, в соответствии с которым у  источника света, удаляющегося от наблюдателя, длина волны увеличивается, то есть смещается к красному концу спектра (краснеет).