Пространство и время в общей теории относительности

 

 

  

 

 

 

 

Реферат   

 

по специальности «Концепция современного естествознания»

на тему:  

«Пространство и время в общей теории относительности»  

 

 

 

   

 

 

  

           

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2012

 

 

Содержание:

 

Введение

1 Развитие представлений о пространстве и времени

2 История создания общей теории относительности

3 Технология продвижения и стимулирования сбыта турпродукта

4. Общие свойства  пространства и времени

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Важнейшей задачей  современного естествознания является создание естественнонаучной картины  мира. В процессе ее создания возникает  вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Выделение и фиксация во времени части пространства дает состояние объекта. Упорядоченная последовательность состояний  объекта составляет процесс его развития (жизни, существования) во времени. Философия определяет пространство и время как всеобщие формы существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее.  Для их описания в естествознании исторически формировались различные представления о пространстве 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 — как геометрический параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток механистической картины мира состоит  в том, что в ней пространство и время как формы существования  материи изучаются обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления.

 

 

 

 

1. Развитие представлений о пространстве и времени

 

Пространство  и время являются основными категориями в физике, т.к. большинство физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В то же время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную историю, важное место занимают как в учениях Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции.

Большое влияние  на формирование понятий пространства и времени как научных категорий сыграла пифагорейская школа. «Вселенная втягивает из беспредельного время, дыхание и пустоту», - говорит Пифагор. Причем «пустота» у пифагорейцев не имеет такого строгого понятия как у атомистов, это — скорее, неоформленное, безграничное пространство. В этом беспредельном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь Космос. Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что в геометрической интерпретации означает линию; линия, вытягиваясь в ширину, порождает число 3 — плоскость; плоскость, вытягиваясь в высоту, порождает число 4 —объем». Таким образом, уже пифагорейцы, описывая Космос, осознают (воспринимаемый и нами с самого раннего детства как очевидный) факт трехмерности пространства, в котором мы живем.

Платон, развивая учение пифагорейцев о математическом начале мира, впервые в античной науке вводит понятие геометрического пространства. До Платона в античной науке пространство не рассматривалось как самостоятельная категория, отдельно от его наполнения. Платон же помещает между идеями и чувственным миром геометрическое пространство, рассматривая его как нечто среднее, «промежуточное» между ними. Пространство понимается им как «интеллигибельная материя». Если математические числа — это чисто идеальные сущности, то всевозможные математические объекты - сущности промежуточные и получаются они путем соединения числа и материи. Сформировав впервые в истории науки философию объективного идеализма, признавая идеи — первичными сущностями (бытием), Платон тем не менее считал, что идея (единое) не может не существовать, не быть познанной без соотнесенности с другим, с материей, представляющей собой множество чувственно воспринимаемых вещей. Таким образом, Платон рассматривает 3 реальности: бытие — сфера идеального; возникновение — сфера чувственных вещей и пространство — не идеальное и не чувственное. Так что философия Платона также использует представление о трехмерности пространства. Познать природные элементы, по Платону, это значит познать их геометрически, то есть определить их пространственное образование.

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. Систематическое изучение пространства и пространственных фигур греками было подчинено главной цели — исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы.

В эпоху Возрождения достигается  осознание взаимосвязи между  механикой и геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к представлению  о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении возникновения физики как стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходных понятий науки.

Шаг этот сделал Галилео Галилей. Не случайно, историки науки связывают именно с именем Галилея возникновение физики как самостоятельной научной дисциплины, потому что именно 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. Галилей объявил сопротивление среды несущественной стороной своих законов. Признание им существования пустоты позволило ему объяснить равные скорости падения различных тел и сформулировать принцип инерции. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой» в «Дне втором» Галилей формулирует два основных принципа механики — принцип инерции и принцип относительности. По существу, эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку оба принципа получили в механике Ньютона. Жизнь и творчество Галилея подготовили как в методологическом, так и в научном плане почву для свершений Исаака Ньютона, положивших начало новой эре в науке в целом и не утративших своего непреходящего значения в наши дни. Однако для более полного представления о том, какую роль в физике Ньютона играют понятия пространства и времени, необходимо рассмотреть точку зрения на эти понятия еще одного выдающегося мыслителя Нового времени Рене Декарта.

Основная задача, поставленная Декартом, — математизация  физики, точнее ее геометризация по типу евклидовой геометрии. Изучение физического  мира возможно только с помощью математики. Следовательно, и 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. Из тождественности материи и пространства Декарт делает вывод о бесконечной делимости материи и, следовательно, о несуществовании неделимых атомов и пустоты. 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. Выходит, что фундаментальными свойствами материи являются протяженность и движение в пространстве и во времени. И эти свойства могут быть строго описаны математически. «Дайте мне протяженность и движение, и я построю Вселенную», — таков основой тезис Декарта. Позиция Декарта как геометра физики предпослала создание им новой области математики — аналитической геометрии. Он вводит координатную систему, известную как декартова система координат, а также представление о переменной величине. Иными словами, в математику проникает движение, что само по себе подготавливает почву для возникновения дифференциального и интегрального исчисления.

 

2. История создания теории относительности

 

До теории относительности в физике было две прекрасно работающих по отдельности области: механика Ньютона, миллионы раз проверенная экспериментом, и электродинамика, сравнительно молодая, но уже крепко стоящая на ногах наука, описывающая в том числе распространение электромагнитных волн. Распространение волн описывалось уравнениями Максвелла, которые тоже были многократно проверены экспериментом и сомнений не вызывали. Тогда уже было известно, что свет — это тоже электромагнитная волна, и, следовательно, скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Но каждый раз, попытки измерить скорость в динамичной системе заканчивались провалом. Исходя из постулатов теории Ньютона - скорость света и скорость источника света необходимо было суммировать, но уравнения Максвелла не позволяли создать такую математическую модель, а попытки их доработать, чтобы подстроить под такую ситуацию, заканчивались крахом. Например: если лететь за светом со скоростью равной скорости света — то этот свет по уравнениям Максвелла исчезал.

XIX век был  веком механики, вследствие чего  все явления стремились описать  при помощи механических моделей. 

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 характеристики тела по отношению к нетождественному ему пустому пространству. То есть понятия «силы» и «массы» у Ньютона — это как бы «надпространственные» понятия. Сам факт введения Ньютоном пространства пустого, постулирование им абсолютного пространства было продиктовано трудностями, возникшими при объяснении движения тел в неинерциальных системах отсчета, с невозможностью объяснения наличия сил инерции в системах отсчета, движущихся с ускорением, взаимодействием тел. Эту непонятную силу Ньютон назвал силой инерции и считал ее происхождение следствием ускоренного движения тел по отношению к пустому вместилищу — абсолютному пространству.

Введение же 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.

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

Представления об иерархическом  строении вещества и о себетождественности  физического объекта сформировали механистическую концепцию части и целого в ньютоновской физике, в основе которой лежат принцип редукционизма и элементаризма.

Заложенная  Ньютоном в основания его физики идеология адекватно служила  целям науки на протяжении длительного  периода вплоть до начала двадцатого столетия. Пространство и время в его теории играют роль строительного каркаса, поддерживающего все стройное здание классической физики. Принятие Ньютоном пустоты формирует концептуальные основания физической науки.

Классическая теория тяготения  Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с понятием поля в современной физике. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.

Математически сила гравитации Ньютона выводится из потенциальной  энергии тела в гравитационном поле. Векторная же теория гравитации оказывается аналогичной теории электромагнитного поля Максвелла и приводит к отрицательной энергии гравитационных волн, что связано с характером взаимодействия: одноимённые заряды (массы) в гравитации притягиваются, а не отталкиваются, как в электромагнетизме. Таким образом, теория гравитации Ньютона несовместима с фундаментальным принципом специальной теории относительности — инвариантностью законов природы в любой инерциальной системе отсчёта, а прямое векторное обобщение теории Ньютона, впервые предложенное Пуанкаре в 1905 году в его работе «О динамике электрона», приводит к физически неудовлетворительным результатам.

Эйнштейн начал  поиск теории гравитации, которая  была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

 

 

3. Пространство и время в теории относительности А.Эйнштейна

 

В ходе разработки своей теории Эйнштейну пришлось пересмотреть прежние представления  классической механики о пространстве и времени. Прежде всего, он отказался  от ньютоновского понятия абсолютного  пространства и времени, а также  от определения движения тела относительно абсолютного пространства.

Исходным пунктом  теории А.Эйнштейна стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: «Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой». Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции:  «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил».