Свойства пространства и времени

Понятия пространства и времени и их основные свойства

Свойства пространства и времени

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь становления и развития. В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности.

Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Обыденные представления о пространстве и времени рассматривали их как внешние условия бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, даже если бы материя исчезла.

Наиболее отчетливо концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени сформулировал И. Ньютон в работе «Математические начала натуральной философии».

По Ньютону пространство и время составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего, представляют собой самодовлеющие элементы бытия, существующие вне и независимо от любых материальных процессов, это некоторые универсальные условия, в которые помещена материя.

Развитие естествознания привело к принципиально другим толкованиям пространства и времени. Современное понимание пространства и времени сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.

По Эйнштейну пространство и время – формы существования материи, не существующие вне материи, эти атрибуты материи определяются ее связями и взаимодействиями.

Далее этот вопрос будет рассмотрен более подробно.

Всеобщими свойствами пространства и времени являются их объективность и независимость от человеческого сознания, проявление на всех структурных уровнях существования материи, неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей. Невзирая на неразрывную связь между собой, пространство и время обладают рядом специфических свойств.

Рассмотрим основные свойства пространства.

1 Однородностьвсе точки пространства обладают одинаковыми свойствами, нет выделенных точек пространства, параллельный перенос системы координат не изменяет законов природы.

2 Изотропность все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, нет выделенных направлений; поворот системы координат на любой угол сохраняет неизменными законы природы.

3Непрерывность между двумя любыми различными точками в пространстве, как бы близко они не находились, всегда есть третья.

4Трехмерностькаждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел (координат).

5 Евклидовостьсвойства пространства описываются геометрией Евклида.

Рассмотрим два последних свойства более подробно.

На глубокую связь между размерностью пространства и законом всемирного тяготения указывал еще И. Кант. Согласно теореме Эренфеста (1917), большинство взаимодействий убывает с расстоянием по закону F~1/rn-1, где n – размерность пространства.

Таким образом,трехмерность пространства приводит к тому, что в нашем мире работает «закон обратных квадратов», т.е. силы убывают пропорционально квадрату расстояния (сила гравитационного взаимодействия, сила взаимодействия электрических зарядов и т.д.).

В четырехмерном пространстве (n=4) сила взаимодействия между планетами была бы обратно пропорциональна кубу расстояния между ними. В таком воображаемом мире планеты двигались бы по спиралям и быстро упали бы на Солнце.

При числе измерений более трех не существовало бы и устойчивых электронных орбит в атомах, следовательно, не было бы химических процессов и жизни.

Установлено, что при распространении волн в пространстве с четным числом измерений наблюдаются искажения, нарушающие переносимую волной информацию. Пример тому – распространение волны по резиновому покрытию (n=2). Г. Дж. Уитроу (1955 г.

) пришел к выводу, что поскольку живым организмам необходимы передача и обработка информации, то высшие формы жизни не могут существовать в пространстве четной размерности.

Следует отметить, указанные выводы относятся к известным нам законам природы и формам жизни и не исключают существование миров иной природы.

Согласно Оксфордскому толковому словарю, геометрия – это наука о свойствах и отношениях величин в пространстве. Древнегреческий математик Евклид (около 330-275 до н.э.) создал стройное учение о свойствах пространства, т.н. евклидову геометрию, которая практически в неискаженном виде до сих пор входит в школьный курс.

Геометрия Евклида основана на 10 постулатах (утверждений, истинность которых считается очевидной и принимается на веру). Все остальное покоится на этих постулатах как здание на своем фундаменте. Если изменить постулаты, то изменится и весь предмет, что на них основан.

В геометрии Евклида постулируется, что линия, вдоль которой расстояние между двумя точками M и N минимально, есть прямая; касательная к этой линии не меняет своего направления от точки к точке.

Постулат Евклида о параллельных утверждает, что через точку Р можно провести одну и только одну прямую, параллельную заданной прямой MN, не содержащей точки Р (рисунок 1).

Рисунок 1 – Понятие прямой в геометрии Евклида

Сумма углов треугольника в пространстве Евклида равна 180°, отношение длины окружности к ее диаметру равно π.

Пространство с такими свойствами называется плоским или пространством с нулевой кривизной (R=0). Плоскому пространству соответствует т.н. евклидова метрика

dl2 = dx2 + dy2 + dz2. (2.1)

Физика Ньютона опирается на геометрию Евклида, т.е. это физика плоского пространства.

Примером двумерного плоского пространства служит лист бумаги. Легко представить искривленное двумерное пространство: поверхность сферы или поверхность горлышка кувшина в самой узкой его части. Первый пример относится к классу поверхностей с положительной кривизной (R>0), второй – к классу поверхностей с отрицательной кривизной (R0R

Источник: https://helpiks.org/9-33814.html

Свойства пространства и времени

Свойства пространства и времени

Движением в механике называют изменения положения тела в пространстве с течением времени.

Пространство и время бессмысленно рассматривать в отдельности от материального мира.

Пространство отражает порядок сосуществования объектов мира. Время показывает последовательность перемены явлений. Нет процессов в природе, которые происходили бы вне времени и вне пространства.

Пространство и время являются формами существования материи. Пространство и время имеют тесную и неразрывную связь. Мир, в котором мы живем, является четырехмерным:

  • Три измерения в нашем мире – относят к пространству.
  • Одно измерения связывают со временем.

Относительность движения

Тела могут перемещаться в пространстве, то есть осуществлять механическое движение. Высказывание о том, что два разных события, произошедшие не одновременно, состоялись в одном месте, лишено смысла, до момента указания системы отсчета, в которой эти события рассмотрены.

Перемещение в пространстве обладает строго определённым содержанием, если указаны тела, по отношению к которым происходит движение рассматриваемого объекта.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Любое движение относительно так формулируется одно из фундаментальных свойств природы.

В этой связи для описания перемещения тел в пространстве вводят понятие системы отсчета. Система отсчета включает:

  • тело отсчета, с целью фиксирования положения исследуемого объекта;
  • процесс, являющийся эталоном, для фиксирования времени. Эталонный процесс фиксации времени реализуют при помощи часов. Часы используют для того, чтобы отмечать временные моменты, которые отвечают положениям перемещающегося тела в некоторые моменты.

Определение 1

Тело отсчета, система координат, часы составляют систему отсчета.

Самым простым и часто применяемым примером системы координат, является прямоугольная декартова система координат. Декартова система координат составлена тройкой взаимно нормальных плоскостей, которые жестко связаны с телом отсчета.

Точку пересечения этих плоскостей называют началом координат, линии пересечения плоскостей дают координатные оси.

Координатами точки является тройка расстояний от начала координат до координатных плоскостей.

При решении задач применяют систему координат, которая позволяет максимально упростить процедуру работы задачей.

К наиболее востребованным системам координат относят:

  • декартову систему координат;
  • цилиндрическую систему координат;
  • сферическую систему координат.

Определение 2

Количество независимых координат, которые однозначно определяют положения тела (или совокупности тел) в пространстве, носит название числа степеней свободы.

Абсолютность и относительность длин и промежутков времени

Нерелятивистская физика считает длины тел и промежутки времени абсолютными. В таком случае:

  • Можно считать события одновременными не отмечая системы отсчета, где данные события рассматриваются.
  • Стоит рассматривать длину тела, не обращая внимания на состояние его движения или покоя в системе отсчета.

Если исследуются медленные (в сравнении со скоростью света в вакууме) движения, то релятивистские эффекты можно не учитывать. Но существуют разделы физических исследований, где без учета данных эффектов не обойтись, например, ядерная физика.

В специальной теории относительности (СТО), которая была создана Эйнштейном, одновременность событий, разделенных в пространстве, является относительной. Это означает, что пара событий, происходящих одновременно в одной системе отсчета, могут быть не одновременными в другой системе отсчёта, перемещающейся по отношению к первой.

Длина тела в теории Эйнштейна, тоже является относительной, поскольку связана с системой, в которой происходит измерение. СТО показывает, что следует отметить разницу между длиной стержня, который находится в покое ($l_0$) и длиной стержня, движущегося относительно системы отсчета ($l$)

$l_0 e l$.

Длины $l_0$ и $l$ равны в случае движений с небольшими скоростями.

Так, в общем случае следует считать, что промежутки времени и длины отрезков являются относительными.

Свойства пространства

Сформулируем свойства пространства, которые можно считать основными:

  1. Исследуемое нами пространство является однородным. Это означает, что в нем нет точек с разными свойствами. Если произвести параллельный перенос системы отсчета, то рассматриваемые в ней законы физики не будут изменяться.
  2. Пространство изотропно. В пространстве нет выделенных направлений. При повороте системы отсчета на произвольный угол законы природы не изменятся.
  3. Пространство обладает свойством непрерывности. Между даже самыми близкими точками пространства всегда имеется третья точка.
  4. В нашем мире пространство является трехмерным. Положение точки однозначно описывают три действительных числа (координаты).

Математической формулировкой свойств пространства является система понятий геометрии и их связей. Формирование «простейшей» эвклидовой геометрии было выполнено 2,5 тыс. лет тому назад.

Следующий шаг в описании соотношения пространства и материальных тел сделан в неевклидовой геометрии. Лобачевский, например, считал, что пространство не существует отдельно от человека в том смысле, что в природе познается только движение.

Все остальные понятия, в том числе геометрические – это порождение ума человека, взяты из свойств движения.

Свойства времени

К основным свойствам времени относят:

  1. Временную однородность. Если рассматривать два события, которые проходят при одинаковых условиях, но в разное время, то они будут происходить одинаково.
  2. Непрерывность времени означает то, что если имеются два момента времени, и они очень близки, то всегда между ними можно найти еще момент времени.
  3. В настоящее время считают, что время течет в одном направлении от настоящего в будущее.

Свойства пространства и времени являются определяющими в характере законов физики. Так, например, законы сохранения энергии и импульса основаны на симметрии времени, которая исходит из его однородности и симметрии пространства (основы однородность и изотропность пространства).

Основной второго начала термодинамики является временная необратимость.

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

Пространство и время как формы существования материи

Преждевсего, пространство и время могут бытьопределены через признаки, хорошоизвестные нам из опыта.Пространство– это протяженность или сосуществованиевещей, а время – длительность.

Итак,пространство– форма бытия материи, которая выражаетеё протяженность, структурность, порядоксосуществования в различных материальныхсистемах.

Время- форма бытияматерии, которая выражает её длительностьсуществования объектов и порядок сменысуществования.

Пространство:

1.Характеризуется тремя измерениями.

2.Обратимость, симметричность.

3.Изотропно, т.е. все направления одинаковы,равноценны.

4.Однородность, т.к. различные “точки”пространства одинаковы, тождественны.

5.Прерывность/непрерывность.

Непрерывность- поле(абсолютный характер).

Прерывность– любой предмет.

Этоткритерий свидетельствует о противоречивостипространства.

6.Бесконечно и безгранично.

7.Связано с движением и временем.

Время:

1.Характеризуется одним измерением.

2.Необратимость, асимметричность.

3.Однонаправленность.

4.Однородность, т.к. тождественны различныемоменты времени.

5.Непрерывность.

6.Бесконечно и безгранично.

7.Связано с пространством и временем.

Спозиций научного материализма, которыйосновывается на данных частных наук,пространство и время – не самостоятельные,независимые от материи реальности, авнутренние формы её бытия.

Всоответствии с данными частных наук,диалектический материализм рассматриваетпространство и время как объективныеформы бытия материи.

Пространствои время –две противоположные, взаимосвязанныеи взаимодополняющие формы бытия материи.Сосуществуя в пространстве, вещи могутсуществовать во времени, и, наоборот,существуя во времени, вещи образуютпространственные структуры. Каждая изосновных форм бытия выступает, такимобразом, в качестве условия другой.

Источник: https://studfile.net/preview/2181195/page:7/

Свойства пространства-времени

Свойства пространства и времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. В учебных целях свойства пространства и времени также рассматриваются отдельно.

Общие свойства пространства.Общими свойствами пространства являются:

1) протяженность, понимая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.),

возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре.

Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе.

Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы;

2) трехмерность, в соответствии с которой все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, т.е. обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, которое обнаруживается на всех известных структурных уровнях организации материи и органически связано со структурностью систем и их движением.

Общие свойства времени.Общими свойствами времени являются:

1) длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному момен ту времени другого, а также возможность деления любого отрезка

времени на меньшие интервалы.

Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения в прошлом.

Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, т.е. существуют конечный период.

Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход;

2) необратимость времени — общее свойство времени, означаю щее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Про шлое порождает настоящее и будущее, переходит в них.

К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и преврати лись в последующие. Будущие события — это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий.

На стоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые

реально существуют и способны к взаимодействию между собой.

Понятие настоящего, так же как и понятие современности, многозначно, так как охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее — это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом; для элемен-

тарных частиц — очень малые отрезки, которые для Галактики возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах будут еще более значительными;

3) одномерность времени, проявляющаяся в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной.

Общие свойства пространства и временипроявляются на всех структурных уровнях организации материи. У некоторых классов материальных объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени.

Так, в макромире все материальные тела имеют конкретные пространственные формы, размеры, скорости перемещения и т.д. Все материальные тела и процессы имеют конкретную длительность своего существования.

Также у материальных тел проявляются разные виды симметрии или асимметрии. В целом пространству присущи свойства изотропности и однородности. Изотропность — это отсутствие вьщеленных направлений (верх, низ и т.д.

), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Однородность — это одинаковость свойств пространства по всем направлениям.

Но в структуре отдельных тел можно отметить анизотропию (тела расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других) и неоднородность.

Изучение пространства и времени продолжается и сегодня. Есть интересные исследования о социальном и биологическом пространстве и времени, гипотезы о природе времени.

Литература для самостоятельного изучения

1. Анисимов А. Что нас ждет в торсионном поле // Человек. 1994. № 5.

2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986.

3. Винокуров И., Гуртовой Г. Психотронная война. М., 1993.

4. Девис П. Суперсила. М., 1989.

5. Зигель Ф.Ю. Неисчерпаемость бесконечности. М., 1984.

6. Новиков И.Д. Куда течет река времени? М., 1990.

7. Пайерлс Р. Частицы и силы // Фундаментальная структура материи. М., 1984.

8. Паркер Б. Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения Вселенной. М., 1991.

9. Фундаментальная структура материи / Под ред. Д. Малви. М., 1984.

10. Хелзин Ф., Мартин А. Лептоны и кварки. М., 1987.

11. Хокинг С. Краткая история времени. СПб., 2001.

Источник: https://studopedia.org/3-1830.html

Booksm
Добавить комментарий