Развитие пространства-времени и законы сохранения

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по предмету  «Концепции современного естествознания»

 

 

 

 

 

на тему: «Развитие пространства-времени и законы сохранения»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                              Выполнила:

           Студентка 1 курса гр.121

           Иванова И.А.

 

 

                                                                              Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012

 

Содержание.

 

Введение…………………………………………………………………..2

1. Пространство-время: понятия, история развития научных теорий…...3
2. Свойства пространства-времени………………………………………...6
3. Законы сохранения……………………………………………………….8

Заключение…………………………………………………………………10

Список литературы…………………………………………………………11

 

 

Введение

 

Основная задача современного естествознания - это создание естественно - научной картины мира, которая представляет собой упорядоченную систему, постоянно уточняемую и дополняемую. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных объектов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно связаны с изменением длин и длительностей, периодичностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Состояние любого объекта определяется выделением и фиксацией во времени части пространства. 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.

Представления о пространстве и времени за длительный период развития естествознания претерпели существенные изменения. 
Концепция пространства, как и концепция времени, прошли длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем.

Пространство и время  являются основными понятиями всех разделов физики. Пространство выражает порядок сосуществования физических объектов, время же выражает порядок смены физических состояний и явлений.

Важную роль в познании законов природы играют законы сохранения – физические закономерности, согласно которым численные значения определенных физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в некотором классе процессов. Идея сохранения возникла первоначально как чисто философская догадка о наличии неизменного начала в постоянно меняющемся мире. Так возникло понятие материи – несотворимой и неуничтожимой основы всего сущего.

Принимая во внимание важность и значимость понимания основных законов природы, целью данного реферата является изучение понятий и свойств пространства и времени, а также законов сохранения с точки зрения современной науки - естествознания. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

1. раскрыть понятия и описать исторические этапы развития теорий пространства-времени;
2. показать сущностные характеристики и свойства пространства и времени с позиции современного научного познания;
3. описать сущность законов сохранения и их связь со свойствами симметрии физических систем.

При решении задач использовалась научная литература и учебные пособия по современному естествознанию.

 

1. Пространство-время: понятия, история развития научных теорий

 

Пространство и время  относятся к фундаментальным  понятиям, которые философы пытались формулировать с древности. По мере накопления знаний менялись и представления  о пространстве и времени.

В своей деятельности мы обнаруживаем, что организация мира имеет особенности, связанные с  тем, что материальные объекты расположены относительно друг друга определенным образом, они могут образовывать конфигурации, граничить друг с другом, двигаться относительно друг друга. Т.е. имеют определенный набор характеристик и параметров. В физике движение рассматривается в общем виде как изменение состояния физической системы, и для описания состояния объектов вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество.

А что же такое время? Самый простой ответ таков: время – это то, что показывают часы. Принцип работы часов может быть основан на многих физических явлениях и процессах. Наиболее удобны периодические процессы, длительно повторяющиеся с высокой степенью точности, например, вращение Земли вокруг своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и т. п. Для измерения времени могут быть использованы и непериодические процессы, происходящие по известному временному закону, например, радиоактивный распад атомов или свободное падение тел в поле тяготения. В более строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления: оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах – с физической точки зрения бессмысленно.

Ньютон различал абсолютное и относительное время. В своих  фундаментальных «Математических  началах натуральной философии» он писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Относительное, кажущееся  или обыденное время есть или точная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...

Течение абсолютного времени  изменяться не может. Длительность или  продолжительность существования  вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет... Время и  пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего»¹.

Аналогичные соображения  Ньютон высказывал и в отношении  пространства. В процессе развития физики с появлением специальной  теории относительности возникло утверждение: абсолютное время не имеет физического  смысла, оно – лишь идеальное  математическое представление, ибо  в природе нет такого реального  физического процесса, пригодного для  измерения абсолютного времени.

Во-первых, течение времени  зависит от скорости движения системы  отсчета. При достаточно большой  скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает  релятивистское замедление времени.

Во-вторых, поле тяготения  приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Оно течет с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

Важная особенность времени  выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. В частности, длительности повторяющихся периодов хороших часов при неизменных условиях совершенно одинаковы. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его истинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов, поскольку:

1) они все же не идеальны  и характеризуются своей мерой  точности;

2) нет абсолютной уверенности  в возможности создания совершенно  одинаковых условий в природе  в разное время. 

Концепция пространства, как  и концепция времени, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе  и в первую очередь в микромире  твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления  вытекало определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Первая законченная теория пространства – геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет  назад и до сих пор считается  образцом научной теории. Геометрия  Евклида оперирует идеальными математическими  объектами, которые существуют как  бы вне времени, и в данном смысле пространство в этой геометрии –  идеальное математическое пространство. Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального  физического и Евклидова пространств.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым, существуя независимо от наличия в нем физических тел, и являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства подобного пространства определяются Евклидовой геометрией. Такое представление о пространстве до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Конечно, пустое пространство – идеальное пространство. Реальный окружающий нас мир полон материальных вещей даже в безвоздушном космическом  пространстве – его заполняют  звезды, метеоритные образования, элементарные частицы и, как полагают астрономы, невидимая, скрытая материя. Идеальность пустого пространства подтверждает и относительный характер механического движения тел. Для описания движения тела нужно указать другое в качестве тела отсчета – рассмотрение одного единственного тела в пустом пространстве бессмысленно.

Специальная теория относительности  объединила пространство и время  в единый четырехмерный континуум пространство-время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел – скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер².

 

2. Свойства пространства-времени

 

Пространство и время  имеют важные свойства. Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, то есть существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. Важным свойством пространства является его трёхмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трёх независимых величин-координат. В прямоугольной декартовой системе координат это - X, Y, Z, называемые длиной, шириной и высотой.

В отличие от пространства, в каждую точку которого можно  снова и снова возвращаться время - необратимо и одномерно. Оно течёт из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее.

Необратимость времени в  макроскопических процессах находит  своё воплощение в законе возрастания энтропии. В обратимых процессах энтропия (мера внутренней неупорядоченности системы) остаётся постоянной, в необратимых - возрастает. Реальные же процессы всегда необратимы.

Пространство обладает свойством  однородности и изотропности, а время - однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность в равноправии всех направлений.

В современной науке используется понятие биологического, психологического и социального пространства и времени. Эти понятия введены в связи с особенностями проявления пространственно-временных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут быть существенно отличны.

Биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть.

Психологическое пространство и время. Психическая регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства.

Социальное пространство и время. Включает образование нескольких духовных центров человечества, внутренне родственных друг другу. Одновременно происходит сближение этих духовных центров и формирование человека такого психологического типа, который существует и в настоящее время. Вместе с тем формируются образы и идеи, с помощью которых идёт рационализация социального бытия, рождаются религиозная и философская вера. Всё это происходит в так называемое «осевое время».

Социальное пространство включает пространственную организацию  социальных объектов общества, которые  дифференцированы, разделены и определённым образом ориентированы. Его можно  характеризовать и как форму  бытия социальной материи, в которой  социальная энергия превращается в  конкретные формы жизнедеятельности  личностей и общества в целом. И в этом плане оно обладает определённой субстанциальной реальностью. Его специфическими свойствам являются протяжённость, упорядоченность, масштаб, интенсивность, насыщенность, плотность, определённая координация социальных процессов и явлений.