Кризис классических представлений о пространстве и времени

Кризис классических представлений о пространстве и времени

Кризис классических представлений о пространстве и времени

В соответствии с принципом относительности Галилея, все явления в механике происходят одинаково для всех инерциальных систем отсчета (ИСО). Данный принцип можно сформулировать следующим образом:

В ИСО нельзя найти механический эксперимент, который бы установил бы, перемещается данная система с постоянной скоростью или находится в покое.

Принцип относительности Галилея соотносится с соответствующими преобразованиями. Данные преобразования дают возможность, зная координаты и время некоторого события в одной ИСО найти координаты и время того же события в другой ИСО.

Уравнения механики Ньютона неизменны по отношению к преобразованиям Галилея.

Определение 1

Физические величины, неизменные при преобразованиях Галилея, называют инвариантами данных преобразований.

Примерами инвариантов преобразований Галилея могут служить:

  • ускорение;
  • консервативные силы;
  • интервалы в пространстве;
  • время.

Неинвариантной величиной в классической механике служит скорость.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение 2

Пространственным интервалом называют расстояние между парой точек в пространстве:

$\Delta l=\sqrt{{\left(x_1-x_2\right)}2+{\left(y_1-y_2\right)}2+{\left(z_1-z_2\right)}2}\left(1\right).$

Принцип относительности и преобразования Галилея отображают тот факт, что в основании классической механики (ньютоновской механики) лежат представления об абсолютности пространственных интервалов и абсолютный характер времени.

Положение о том, что время является абсолютным отражает преобразование:

$t=t’$(2).

Формулы (1) и (2) отражают отсутствие взаимной связи между пространством и временем как формами существования материи.

В классической физике время является абсолютной величиной, и ход его происходит одинаково во всех ИСО. Возможно только изменения начала отсчета времени. Данное обстоятельство связано с тем, что в механике Ньютона полагается: скорость распространения взаимодействия тел бесконечно велика.

В реальной действительности скорость распространения взаимодействий ограничена скоростью света в вакууме. Отклонения законов от законов классической механики начинает сказываться при движениях тел со скоростями сравнимыми со скоростью света.

Противоречия законов физики и принципа относительности Галилея

Выше был сформулирован принцип относительности для механики, но физика состоит не только из механики, следовательно, появляется необходимость расширить сферу действия принципа относительности на все разделы науки. На данном пути ученые обрели большие сложности, ситуация заключалась в следующем:

  • Законы механики Ньютона являются инвариантными относительно преобразований Галилея, которые показывают, как осуществлять переход от одной ИСО к другой. Принцип относительности явился результатом общения эмпирических исследований. Нет оснований для того, чтобы от него отказаться. Логично предполагать, что подобную инвариантность проявят и иные законы физики, описывающие другие явления и процессы.
  • Выявлена неинвариантность по отношению к преобразованиям Галилея основных законов электромагнетизма (уравнений Максвелла). Детальное исследование этих законов позволили сделать вывод об их истинности.
  • К середине XIX века ученые получили методы точного измерения скорости света. Было получено, что в вакууме она равна $c=3\bullet 108$ (м/с). Возник вопрос, в какой ИСО получено данное значение? Так как мы знаем, что говорить о величине скорости света без указания системы отсчета не имеет смысла. Из закона сложения скоростей в разных ИСО величина скорости света должна быть разной. Опыт Майкельсона по измерению скорости света показал, что скорость света во всех системах отсчета одинакова. Следует сделать вывод о том, что классический закон сложения скоростей ограничен в применении. Его не следует использовать, если описываются процессы, происходящие с большими скоростями. Поскольку закон сложения скоростей является следствием преобразований Галилея, значит, и преобразования можно использовать не всегда.
  • Полагая, что неизменность скорости света – установленный эмпирический факт, и он не согласуется с преобразованиями Галилея, то необходимо пересмотреть преобразования.
  • Анализ полученной совокупности противоречий сформировал понимание того, что дело заключается в свойствах пространства и времени.

А. Эйнштейн представил специальную, а далее и общую теории относительности (СТО и ОТО), которые радикальным образом преобразовали представления о пространстве и времени.

Ученый выявил, что преобразования Галилея используют два постулата, которые считали очевидными и не пытались обосновывать:

  • Одновременность пары событий считали абсолютным понятием. Это означало, что во всех ИСО время идет одинаково.
  • Длина тела в любой ИСО одинакова.

На самом деле данные тезисы не универсальны, а справедливы только в первом приближении, в механике Ньютона.

Отношение между классической механикой и релятивистской

Классическая механика основана на допущении одинаковости хода времени во всех системах отсчета. Это допущение не верно. Тогда появляется вопрос, как данная теория много лет дает верные результаты при расчетах движения тел?

Если тела перемещаются со скоростями много меньшими скорости света в вакууме, то релятивистские формулы переходят в формулы механики Ньютона.

Если в преобразованиях Лоренца предположить, что:

$v\ll c\to \sqrt{1-\frac{v2}{c2}}\approx 1\ \textrm{и}\ 1-\frac{xv}{c2t}\approx 1,$

то преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея:

$x'=\frac{x-vt}{\sqrt{1-\frac{v2}{c2}}}\approx x-vt\left(3\right),$

$t'=\frac{t-\frac{xv}{c2}}{\sqrt{1-\frac{v2}{c2}}}=t\frac{1-\frac{xv}{c2t}}{\sqrt{1-\frac{v2}{c2}}}\approx t\left(4\right).$

Исходя из выражений (3) и (4) мы видим, что если явления или процессы происходят со скоростями много меньшими скорости света в вакууме, то можно воспользоваться преобразованиями Галилея, и, следовательно, формулы механики Ньютона будут справедливы. Использование преобразований Лоренца даст такой же результат, как и в классической механике, но математические расчеты существенно усложнятся.

Принципиально важным результатом можно считать то, что теория относительности вбирает в себя классическую механику в виде предельного случая механических явлений, происходящих со скоростями много меньшими скорости света в вакууме.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/krizis_klassicheskih_predstavleniy_o_prostranstve_i_vremeni/

Неклассическое и классическое естествознание, пространство и время в его интерпретации (стр. 1 из 3)

Кризис классических представлений о пространстве и времени

Введение

1. Пространство и время в истории философии

2. Пространство и время в естествознании

3. Пространство и время в классической и не классической картине мира

Заключение

Список литературы

Введение

Выделив себя из природы и вступив с ней в определенные отношения, человек осознал самостоятельность и обособленность мира явлений, фиксируя их местоположение.

Воздействуя на них в процессе своей жизнедеятельности, человек наблюдал изменение этих явлений, фиксировал длительность этих изменений, а также их последовательность и появление нового качества. Так складывались первоначальные представления о пространстве и времени.

По мере развития (общества и его отношения к миру) эти представления превращаются в научные понятия и философские категории. Уже Аристотель рассматривал время как меру движения, а пространство как границу этого движения.

Для обыденно-житейских представлений пространство и время — нечто привычное, известное и даже в какой-то мере очевидное. Но если задуматься над тем, что же все-таки такое пространство и время, то возникают сложные вопросы, напряженно обсуждавшиеся в истории философии и естествознания. В настоящее время нельзя решать их без опоры на достижения современной науки,

После кризиса позитивизма в середине века, кризиса, который реализовался в значительной мере через преобразование оснований истории, философии и социологии науки, часто возникало сомнение: а можно ли вообще говорить о естествознании в прежнем смысле слова, не трансформировалась ли наука настолько, что вполне допустимо рассматривать вопрос о ее конце? Само допущение такой возможности многим кажется кощунственным, и в защиту науки обычно приводятся аргументы примерно такого рода: основная масса исследований наших дней вполне вписывается в рамки науки Нового времени, отвечает всем ее характеристикам и дает прекрасные результаты, а если квантовая механика, современная космология, теория множеств или синергетика в чем-то и выходят за ее пределы, то их фундаментальные основания тем не менее остаются прежними. Под фундаментальными основаниями вполне справедливо понимаются такие признаки науки, как: объективность научного знания, исключение из него (по возможности) всего субъективного, случайного; стремление к истинности знания как его соответствия объекту изучения, который противостоит ученому и никак от него не зависит; воспроизводимость научных результатов в эксперименте; кумулятивное накопление знаний в историческом развитии; соответствующее понимание причинности в истории науки (как внешнего воздействия социальных факторов на развитие научных идей) и ряд других. Тем не менее, исторические, философские, социологические исследования науки во второй половине, а особенно в конце XX в., поставили под вопрос эти основополагающие принципы естествознания.

Так начало зарождаться неклассическое естествознание, имевшее свою собственную картину мира, абсолютно отличающуюся от классической.

Несмотря на кажущуюся очевидность пространства и времени, они принадлежат к числу не только важнейших, но и самых спорных характеристик бытия.

1. Пространство и время в истории философии

Важнейшими формами бытия являются пространство, время, движение, системность. Рассмотрим пространство и время. Обсуждение вопроса о сущности пространства и времени в истории философии распадалось на три группы проблем:

1. Каков гносеологический статус этих понятий? Являются ли они характеристиками материального бытия или характеризуют устройство нашего сознания?

2. Каково отношение пространства и времени к субстанции? 3. Каковы основные свойства пространства и времени? (Эта проблема оказывалась связанной с развитием естественнонаучных представлений о пространственно-временных характеристиках вещей, ее решение в значительной степени обусловливалось решением первых двух групп проблем).

Вопрос о познавательном статусе категорий пространства и времени решался по-разному. Одни философы считали пространство и время объективными характеристиками бытия, другие — чисто субъективными понятиями, характеризующими наш способ восприятия мира. Были и философы, которые, признавая объективность пространства, приписывали чисто субъективный статус категории времени, и наоборот.

Но пространство и время являются столь же объективными характеристиками бытия, как его материальность и движение.

В истории философии существовали две точки зрения об отношении пространства и времени к материи. Первую из них можно условно назвать субстанциальной концепцией.

В ней пространство и время трактовали как самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее. Соответственно отношение между пространством, временем и материей представлялось как отношение между двумя видами самостоятельных субстанций.

Это вело к выводу о независимости свойств пространства и времени от характера протекающих в них материальных процессов.

Вторую концепцию можно именовать реляционной (от слова relatio — отношение). Ее сторонники понимали пространство и время не как самостоятельные сущности, а как системы отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами.

Вне этой системы взаимодействий пространство и время считались несуществующими. В этой концепции пространство и время выступали как общие формы координации материальных объектов и их состояний.

Соответственно допускалась и зависимость свойств пространства и времени от характера взаимодействия материальных систем.

Какой же из этих концепций отдать предпочтение? С точки зрения признания объективности пространства и времени обе эти концепции равноценны.

Если говорить об их естественнонаучной обоснованности, то в XVII — XIX веках явное преимущество было на стороне субстанциальной концепции; именно она лежала в основе ньютоновской механики, принимавшейся в то время за образец точной науки.

В электродинамике в пользу существования абсолютного пространства свидетельствовала гипотеза светоносного эфира, который заполняет абсолютное пространство и является носителем электромагнитных волн.

Наконец, сильнейшим свидетельством в пользу субстанциальной концепции пространства был факт единственности эвклидовой геометрии. Хотя еще в 30-х годах XIX в.

Лобачевским была открыта неэвклидова геометрия, до открытия общей теории относительности, неэвклидовы геометрии рассматривались как воображаемые математические конструкции, и им не приписывалось реального физического смысла. Единственной геометрией, описывающей реальные свойства физического пространства и времени, считалась геометрия Евклида. А это как бы подтверждало вывод, следовавший из субстанциальной концепции, что свойства пространства и времени неизменны и независимы от характера движения и взаимодействия материальных систем.

2. Пространство и время в естествознании

Пространство и время — фундаментальные категории современного естествознания'. Физические, биологические, географические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с пространственно-временными характеристиками объектов. Ученые ведут дискуссии о сущности пространства и времени, об их основных свойствах.

Проблемы пространства и времени во многом решаются в рамках господствующей в данную эпоху парадигмы. Картинам мира разных исторических эпох с присущими им культурами соответствовали свои пространственно-временные представления.

Более того, выбор самих моделей пространства и времени зависит от конкретных целей и масштабов, в которых существует изучаемое явление или объект.

Нашим далеким предкаммир представлялся маленьким и кратковременным; для них пространство замыкалось видимыми очертаниями моря и гор. Пространство первобытных людей было очень неоднородным. На территории племени выделялись тотемные центры — места, где пространство, по мнению членов племени, обладало максимально благоприятными качествами.

Место обитания племени было также благотворным пространством, ибо здесь похоронены предки, охраняющие племя. За относительно упорядоченным пространством племенной территории; располагалось внешнее пространство, наделенное отрицательными качествами.

Развитие межплеменных связей обусловило появление представлений о множественности оазисов упорядоченного бытия.

Что касается восприятия времени, то первобытное мышление не ощущало как однородные следующие друг за другом отрезки времени и приписывало некоторым периодам дня и ночи, лунного месяца, года и т.д. свойство оказывать благоприятное или гибельное влияние.

В более развитой мифологии каждому уровню мира присуще свое время, отличающееся такими параметрами, как ритм, длительность и т.п. Для мифологического времени характерна ориентация на прошлое. Мифологический Памир помещается в то время, когда еще не было времени, оно само еще созидалось.

Более того, мифологическое время, соотнесенное с прошлым, оказывается вместе с тем настоящим и даже будущим, так как первобытные представления порождены циклическим видением времени. Колесо времени двигалось из прошлого, захватывало настоящее и через будущее уносило их в прошлое.

Прошлое претерпевало изменения, аккумулируя достижения первобытного мышления и познания.

В античности существовал широкий спектр представлений о сущности пространства и времени. Представители элейской школы в Древней Греции отрицали возможность существования пустого пространства, или, по их выражению, небытия.

В это же время возникает первая целостная система мира — геоцентрическая система К. Птолемея, в которой планеты, Солнце и другие небесные тела обращаются вокруг Земли по орбитам, представляющим сложное сочетание круговых орбит -деферентов и эпициклов.

В центр деферента помещалась Земля, и принималось, что планета движется по эпициклу (системе эпициклов), центр которого равномерно перемещается по деференту.

Система Птолемея представляла собой универсальную модель мира, где время было бесконечным, а пространство — конечным, в котором происходит равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

Источник: https://mirznanii.com/a/8485/neklassicheskoe-i-klassicheskoe-estestvoznanie-prostranstvo-i-vremya-v-ego-interpretatsii

Развитие классических представлений о пространстве и времени

Кризис классических представлений о пространстве и времени

Пространство и время являются основными категориями в физике, ибо большинство физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых используются расстояния в пространстве и времени. В то же время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры.

Они, имеют длительную историю, занимают важное место, как в учениях Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции

Уже пифагорейцы, описывая космос, осознают (воспринимаемый и нами с самого раннего детства, как очевидный) факт трехмерности пространства, в котором мы живем.

Философия Платона также использует представление о трехмерности пространства. Познать природные элементы, по Платону, это значит познать их геометрически, то есть определить их пространственное образование.

Поэтому и атомы Платона, соответствующие 4 стихиям: огонь, воздух, вода и Земля, различны, ибо представляют собой различные геометрические многоугольники: атомы Земли имеют форму куба, огня — форму тетраэдра (четырехгранник), воздуха — форму октаэдра (восьмигранник), воды — форму икосаэдра (двадцатигранник).

Платоново-пифагорийская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в работах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и Евклида. В главном труде Евклида — «Началах» излагаются основ­ные свойства пространства и пространственных фигур.

В современной науке широко используется понятие евклидового пространства как плоского пространства трех измерений.

Наряду с понятием пространства в Древней Греции были выработаны такие понятия как пустота и эфир.

Существование пустоты постулируется именно в целях решения проблемы движения: движение сводится к простейшему перемеще­нию атомов в пустоте. В учении атомистов пустота входит в качестве первоначала на равных правах с атомами. Атомы, в отличие от пустоты, это полное и твердое сущее, лишенное каких-либо внутренних различий, и поэтому неделимое, неизменное, вечное.

Одновременно в греческую науку входит и понятие «эфира», как нечто противоположного пустоте, «обнимающего все прочее».

Т.е., понятия вакуума и эфира с самого своего возникновения соответствуют различным представлениям о состоянии мира.

Галилей применил научный метод исследования, в основе которого лежал научный эксперимент с характерной для него чертой — идеализацией ситуации, позволяющей устанавливать точные математические закономерности явлений природы

В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой» в Галилей формулирует два основных принципа механики — принцип инерции и принцип относительности.

По существу, эти принципы описывают свойства пространства Вселенной.

Задача, поставленная Декартом, — математизация физики, точнее ее геометризация по типу евклидовой; геометрии. Изучение физического мира возможно только с помощью математики.

Следовательно, физика должна опираться на небольшое число аксиом, из которых дедуктивно выводится упорядоченная последовательность выводов, обладающих той же степенью достоверности, что и первичные аксиомы. Объективный мир, по Декарту, не что иное как материализованное пространство или воплощенная геометрия.

Согласно Декарту в мире не существует пустого пространства, ибо в этом случае существовала бы нематериальная протяженность. Протяженность материальна, следовательно, пространство заполнено субстанцией.

Форма тел сводится к протяженности, масса сводится к геометрическому пространственному объему тела, индивидуальность которого проявляется только в движении. Разграничение собственно тела и пространства представляется следствием различных скоростей частей пространства.

Итак, фундаментальными свойствами материи являются протяженность и движение в пространстве и во времени. И эти свойства могут быть строго описаны математически

Отрицая пустоту, Декарт постулирует существование эфира. Позиция Декарта как геометра физики привела к созданию им новой области математики — аналитической геометрии.

Декарт вводит координатную систему, известную как декартова система координат.

Натурфилософия Ньютона представляет собой синтез различных методологических установок его предшественников в единую целостную концепцию: идея пустого пространства связывается с идеей инерциального прямолиней­ного движения (Галилей, Декарт); аристотелевская концепция непрерывного пространства и непрерывного времени связывается с платоновским идеалом описания движения как всеобщего отношения; в основу иерархического строения вещества кладется атом Демокрита, который в Новое время рассматривается уже как экспериментально исследуемая частица. Любая вещь считается составленной из атомов и может быть разложена на свои составляющие.

Представление о пустоте у Ньютона связывается с существованием абсолютного пространства: «Абсолютное, пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным».

Ньютон определяет также и абсолютное, истинное математическое время: «Абсолютное, истинное-математическое время само по себе и самой своей сущности, безо всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью».

«Время и пространство представляют собой как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения».

В механике Ньютона работает принцип относительности Галилея.

Понятие силы Ньютон вводит в качестве абсолютного элемента.

Истинное абсолютное движение, в отличие от относительного, «не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к движущемуся телу».

Ньютон дает также динамическую трактовку массы тела, как индивидуальной характеристи ки тела по отношению к нетождественному ему пустому пространству. То есть понятия «силы» и «массы» у Ньютона — это как бы «надпространственные» понятия.

Введение Ньютоном абсолютного времени, то есть времени, не зависящего от движения, основывается на постулате о мгновенном распространении взаимодействий в пустоте, что явилось основой построения Ньютоном теории тяготения.

Ньютону удается построить стройную теорию, связывающую механику Галилея и законы движения планет Кеплера, основывающуюся на идее пустого пространства и мгновенной скорости передачи взаимодействий на любые сколь угодно дальние расстояния. Тем самым Ньютон формулирует в науке принцип дальнедействия.

Механика Ньютона, развитая в работах Д'Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Гамильтона, Якоби и др. получает стройную завершенную форму, основанную на принципах, определяющих научную картину мира того времени и называемую механистической научной картиной мира. Ее основные принципы:

1. «Себетождественность» физического объекта, «внеположенность» его в пространстве и во времени;

2. Детерминированность поведения физического объекта (строгая однозначная причинно-следственная связь между конкретными состояниями объекта);

3. Обратимость всех физических процессов.

4. Редукционизм и элементаризм. Механистическая концепция целого и части.

Эти принципы являются следствием представлений о непрерывном пустом пространстве и непрерывном времени, в которых выделено индивидуальное тело.

Себетождественность движущегося тела гарантируется непрерывным изменением координат и непрерывным изменением времени. Благодаря тому, что возможно зарегистрировать существование тела и определить его скорость в каждой точке интервала между одним положением и другим, делается вывод о том, что перед нами одно и то же тело, само себе тождественное.

Континуалистская методология явилась основой для возникновения дифференциального и интегрального исчислений (Ньютон, Лейбниц).

Из непрерывности состояний себетождественного физического объекта вытекает существование дифференциальных уравнений, с помощью которых, зная начальные условия, можно с абсолютной достоверностью предсказать все последующее движение тела.

Интегрирование дифференциальных уравнений сводится к вычислению траекторий движения частицы, которые дают полное описание поведения частицы как в прошлом, настоящем, так и в будущем, то есть характеризуются свойствами детерминированности и обратимости.

Детерминированность означает, что достаточно задания начальных условий и уравнений движения тела, чтобы получить полное описание движения частицы.

Собственно, основной задачей механики является определение траектории движения тела, то есть установления строгой причинной за висимости координат (положения тела в пространстве) в зависимости от времени.

Траектория — это линия, которую описывает тело в пространстве при своем движении.

В механикеНьютонадвижение тела происходит по строго определенным траекториям,то есть вследствие себетождественности, индивидуальности физического объекта мы всегда можем одновременно измерить и его координату, и его скорость.

Представления об иерархическом строении вещества ио себетождественности физического объекта сформировали механистическую концепцию части и целого в ньютоновской физике, в основе которой лежат принцип редукционизма и элементаризма. Можно выделить три основных момента этой концепции:

а) целое рассматривается как простое соединение элементов. Возможно разложение, разделение целого на его элементы, то есть редукция сложного к простому;

б) элементы целого рассматриваются как неизменяющиеся, простые, неделимые;

в) элемент внутри и вне целого один и тот же. Это формирует представление об объекте познания как самостоятельной сущности с присущими ему характеристиками и свойствами, не зависящими от условий познаний, а тем более от познающего его субъекта.

Заложенная Ньютоном в основания его физики идеология адекватно служила целям науки на протяжении длительного периода вплоть до начала двадцатого столетия.

В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии, и это взаимодействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обуславливает ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнедействия.

Декартом развивалась противоположная точка зрения на природу взаимодействий, согласно которой материя взаимодействует с материей лишь при непосредственном соприкосновении.

Таким агентом, передающим взаимодействия от тела к телу, являются частички эфира. Эфир трактуется Декартом как тончайшая жидкость, безграничной протяженности, существующей повсюду, — как в порах тел, так и вне их, как подвижный, текучий, непрерывный.

Последователем Декарта стал голландский математик и физик Христиан Гюйгенс.

Известны два альтернативных взгляда на природу света — корпускулярная точка зрения, отстаиваемая Ньютоном, согласно которой свет — поток частиц, корпускул.

И точка зрения Гюйгенса о волновой природе света, согласно которой свет — это волна, распространяющаяся в упругой механической среде, которая есть светоносный эфир.

Наряду со светоносным эфиром, для объяснения электрических свойств тел Бенджамином Франклином вводится понятие электрического эфира, а Францем Эпинусом — понятие о магнитной жидкости.

Принятие концепции эфира — это, по существу, принятие точки зрения близкодействия — передачи взаимодействия от одной точки эфира к другой, что привело в исследованиях Фарадея и Максвелла к выработке понятия поля.

Фарадей принимает электрическое действие на расстоянии, однако не на основе ньютоновского взаимодействия, а посредством силовых линий, которые соединяют друг с другом частицы.

Новый взгляд Фарадея наполнил пустое пространство Ньютона непрерывной совокупностью материальных субстанций — силовым полем.

Максвелл констатирует существование поля как реальности.

В дальнейшем поле как реальность наделяется теми же характеристиками, что и вещество — энергией, массой (введено Дж. Томсоном), импульсом (определенным из опытов по измерению давления света П.Н. Лебедевым).

Дата добавления: 2015-01-12; просмотров: 16 | Нарушение авторских прав

lektsii.net — Лекции.Нет — 2014-2020 год. (0.012 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав

Источник: https://lektsii.net/1-148276.html

Классические представления о пространстве, времени и движении

Кризис классических представлений о пространстве и времени

Сохрани ссылку в одной из сетей:

Классические представления о пространстве, времени и движении.

Метризация пространства и синхронизация часов в классической физике

К концу XIX в. физическая наука, казалось, достигла предела: огромное количество явлений и процессов смогла она объяснить на основе законов механики, термодинамики и макроскопической электродинамики.

Только две «малень­кие тучки», по выражению знаменитого английского физика Дж. Томсона, «стояли на горизонте», не укладываясь в рамки указанных выше разделов физики.

Это были: 1) трудности, возникшие при изучении законов, которым подчиняется излу­чение нагретых тел; 2) проблема электромагнитного (свето­носного) эфира.

В конце XIX и в начале XX вв. при разреше­нии этих проблем были созданы квантовая физика и специ­альная теория относительности.

Выясним, в чем состояли трудности класси­ческой физики при рассмотрении проблемы электромагнит­ного эфира?

Все окружающие нас предметы находятся, и все процес­сы, происходящие с ними или в них, протекают в простран­стве и во времени.

Наиболее полно эти понятия определяет философия, согласно которой пространство и время — это формы существования материи, атрибуты ее движения. Все тела имеют объем, размеры. Они так или иначе располо­жены относительно друг друга.

Это и означает, что матери­альные тела существуют в пространстве. Всякий процесс имеет длительность, одно явление происходит раньше дру­гого. Это и означает, что материя существует во времени. Нет тел, которые не были бы протяженны, не имели бы раз­меров.

Нет процессов, которые бы не длились в течение ка­кого-либо, пусть очень малого, но конечного промежутка времени. Это означает, что материя не может существовать вне пространства и времени.

С другой стороны, пространство и время не есть нечто самостоятельно существующие, независимо н наряду с мате­риальными объектами. Они неотделимы от материальных объектов и явлений. Несмотря на очевидность и реальность пространства и времени, — это очень сложные понятия, и осмысление их со­держания на всем протяжении развития науки сталкивалось с определенными трудностями.

Еще в древности люди задумывались о размере Вселен­ной, о конечности ее существования во времени. Их пред­ставления о пространстве и времени складывались из лич­ного, весьма ограниченного опыта.

Так, небо в понимании древних представлялось в виде полусферы, на которой закреп­лены небесные светила. Земля представлялась плоской, по­коящейся на спинах трех китов (или слонов), которые, в свою очередь, стояли на гигантской черепахе, плавающей в без­брежном «море-океане».

Человек видел перед собою линию горизонта и считал, что до нее можно дойти.

Не умея объяснить, каким образом возникла Земля и они сами, люди пришли к мысли о существовании сверхъес­тественной силы — Бога. А так как все вокруг имело не толь­ко начало, но рано или поздно прекращало свое существова­ние, то делался вывод, что сотворенный Богом мир когда-ни­будь прекратит свое существование. Так возникло представ­ление о конечности Бытия.

Первые научные представления о пространстве и времени были сформулированы великим английским физиком И. Нью­тоном в его книге «Математические начала натуральной фи­лософии» (1687 г.

): пространство и время существуют объек­тивно, однако они существуют безотносительно к тем телам, которые находятся и движутся в пространстве и во времени. Пространство у Ньютона является «вместилищем», «ящиком», и движение в этом пространстве носит абсолютный харак­тер, т. е.

положение тела можно определить однозначно, од­нозначно определяется движение тела относительно стенок «ящика» — абсолютного пространства.

Время по Ньютону—это лишь простая длительность со­бытий, оно течет «безотносительно к чему бы то ни было». Поэтому это время называется абсолютным. Но абсолютное пространство и абсолютное время недоступны человеческо­му восприятию, — так утверждал Ньютон. В обыденной жиз­ни мы обнаруживаем лишь относительное пространство и относительное время.

Мы можем лишь определить объем, занимаемый телом, его расположение по отношению к дру­гим телам. Промежутки времени, измеряемые при помощи часов (периодически действующих механизмов, сооруженных человеком или природой: песочные или водяные часы в древ­ности, дневной или годовой цикл движения Земли и т. д.) дают нам лишь отрезок абсолютного времени.

Именно поэто­му Ньютон назвал эти обыденные проявления пространст­ва и времени — относительными.

Признавая объективное существование пространства и времени, Ньютон исходит из материалистических представ­лений; отрывая же их друг от друга и от материальных тел, Ньютон отходит от этих позиций и, в конечном счете, прихо­дит к божественному происхождению мира.

Такие представления о пространстве и времени были общепризнанными в течение более 200 лет и всецело поддерживались религией.

Только с воз­никновением специальной теории относительности (СТО) изменились научные представления о свой­ствах пространства, времени и движения.

При изучении физических процессов необходимы прибо­ры, метризованная система координат и синхронизованный набор часов. Все это в совокупности называется системой отсчета (СО). Первоначально в это понятие включали сле­дующие элементы:

1) тело отсчета; 2) систему координат, начало которой совмещено с телом отсчета; 3) масштабы; 4) часы. В современной физике понятие «СО» расширилось до представления о физической лаборатории, включающей все необходимые условия и приборы для наблюдения и изу­чения физических явлений. Различают так называемые инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

Характерным признаком инерциальных систем отсчета (ИСО) является то, что в них справедливы классические законы механики — законы Ньютона (соответственно в неинерциальных систе­мах отсчета (НИСО) эти законы не выполняются).

Все ИСО (а их бесчисленное множество) могут двигаться относитель­но друг друга равномерно и прямолинейно, и согласно клас­сическому принципу относительности — принципу относи­тельности Галилея — все ИСО равноправны. Это означает, что при рассмотрении какого-либо явления можно использовать любую ИСО, все они эквивалентны.

Равноправие ИСО дает определенный выбор СО, в которой целесообразно (для более простого математического описания и для более ясно­го физического понимания) рассматривать какую-либо за­дачу. Но именно из-за равноправия этих ИСО получаемые в них результаты будут объективны, реальны, хотя количест­венно могут иметь разные значения.

Например, движение пассажира в поезде можно описать как в ИСО «Поезд», так и в любой другой ИСО, например «Земля», относительно которой ИСО «Поезд» движется прямолинейно и равномер­но. Естественно, что скорости движения пассажира в этих ИСО разные, но обе они «настоящие», обе реальные.

Чтобы определить местоположение материального объек­та в пространстве, необходимо в ИСО приписать каждой точке определенное числовое значение — координату. Для этого необходимо «метризовать» пространство, т. е., ис­пользуя масштабную линейку, определить местоположение этой точки относительно начала координат.

По классическим представлениям свойства масштаба не изменяются от его переноса. Поэтому все ИСО можно метризовать, пользуясь одним и тем же масштабом, перенося его из одной ИСО в другую. Предполагается также, что масштабы не деформи­руются в процессе переноса, т. е. являются абсолютно твер­дыми.

Это предположение тотчас же приводит нас к утвер­ждению, что существует возможность мгновенно передать сигнал (информацию) вдоль масштаба, ударив, например, по его торцу и мгновенно получив сдвиг другого конца.

Та­кое предположение лежит в основе так называемого принци­па дальнодействия — принципа классической физики, утвер­ждающего, что существует сигнал, распространяющийся с бесконечно большой скоростью. Считается, что свойства ма­териала стержня и окружающей среды совершенно не влия­ют на величину этой скорости.

В каждой ИСО должны быть часы, ход которых, естест­венно, одинаков.

Но чтобы отрегулировать ход часов и уста­новить одинаковое положение стрелок в один и тот же мо­мент времени, можно поступить двумя, по классическим пред­ставлениям, одинаковыми способами: 1) свести часы в одно место (например, сделать это на часовом заводе), синхро­низировать их ход и развести по рабочим местам (счита­ется, что передвижение часов не влияет на их ход); 2) так как в принципе существует бесконечно быстрый сигнал, то из «центра» (например, из начала координат СО) можно послать условный сигнал и на всех часах одновременно будут установлены одинаковые положения стрелок (практи­чески все мы так и поступаем, сверяя ход своих часов по сиг­налу, который посылается радиостанцией, как бы далеко она не была расположена).

Выше было сказано, что классическая физика основыва­ется на принципе дальнодействия, т. е. возможности пере­дачи сигнала (действия, информации) мгновенно на любое расстояние.

Промежуточная среда при этом не оказывает никакого влияния на скорость передачи действия. Это поло­жение важно для последующего изложения, поэтому пока­жем справедливость его, анализируя ряд известных читате­лю примеров.

По классической теореме сложения скоростей :

где относительная скорость движения одной ИСО относительно другой, — скорости одного и того же объекта в рассматриваемых ИСО, следует, что величина ничем не ограничена и в принципе может быть и бесконечно большой. Запишем формулу 2-го закона Ньютона в следующем виде:

Этот закон утверждает, что тело получает ускорение (тотчас же), как только на не­го начинает действовать сила, причем источник силы может находиться на любом расстоянии от ускоряемого тела.

Эта же идея содержится и в третьем законе Ньютона (противо­действие появляется тотчас же, как только возникает дей­ствие) и в законе всемирного тяготения (сила тяготения изменяется тотчас же, как только изменяется расстояние между тяготеющими телами).

  1. Реферат

    Представление о пространстве со времён, когда жил И. Ньютон, сильно поменялось. В своей работе я хочу попытаться проследить за процессом изменения взглядов учёных на пространство и время, рассказать, как их себе представляли учёные

  2. Документ

    Этот сборник статей, посвященных изложению Специальной теории относительности (СТО*), созданной великим физиком ХХ века Альбертом Эйнштейном, можно рассматривать как отклик на то обстоятельство, что 2005 год объявлен ЮНЕСКО (гуманитарной

  3. Документ

    Специальная теория относительности(СТО), являясь современным учением о свойствах пространства, времени и движения, лежит в основе формирования современного движения, лежит в основе формирования современного научного мировоззрения.

  4. Учебное пособие

    В пособии рассматриваются категории пространства и времени и их связь с различными формами движения материи. Особое внимание уделяется взаимодействию пространственно-временных структур с топологией Вселенной, с законами симметрии

  5. Документ

    Понятия пространства и времени впервые возникли в “обыденном” сознании и были связаны с “протяжённостью” и “длительностью” действительного мира и событий в нём.

Источник: https://refdb.ru/look/1048016.html

Booksm
Добавить комментарий