Современный статус концепций пространства и времени в физике

Псковский Государственный Политехнический Институт

Факультет Управления и Экономики

Эволюция понятий пространства и времени

Реферат по Концепциям Современного Естествознания

Руководитель: Однобоков В.В.

Автор: Студент 011-013 группы 1-ого курса Еникан Ю.Ю.

Псков

2011 г.

Оглавление

I.Введение.              3

II. Пространственно-временные представления в мифологическом мышлении.              4

       1.Первое понятие о пространстве и времени.              4

      2.Развитие взглядов на пространство и время в истории науки.              5

III. Абсолютное пространство и время в классическом естествознании.              7

        1. Теория относительности Г.Галилея.              7

      3. Рационалистическая физика Р. Декарта.              8

       4. Новая картина мира И.Ньютона.              9

IV.Современный статус концепций пространства и времени в физике.              14

1.Пространство и время в теории относительности А.Эйнштейна.              14

2.Свойства пространства и времени.              16

Список литературы.              25

I.Введение.

     В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи и безотносительно к свойствам движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время-никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность.

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего их связь остается невыявленной. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественно-научные представления, которые стали ближе к действительности. Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи  являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно связаны с измерением дли и длительностей , то есть пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

II. Пространственно-временные представления в мифологическом мышлении.

       1.Первое понятие о пространстве и времени.

     В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического испоьзования объектов, их объема и протяженности.Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия,в которые помещена материя и которые сохранились бы,если бы даже материя исчезла. Первое понятие о пространстве возникло у племен и родовых общин. Под этим понятием они понимали территорию, на которой жили. Понятие времени было введено как промежуток между событиями. Обычно это был восход солнца. В дальнейшем за промежутки брали сутки, часы, года. Для отсчета времени существовало множество календарей, они создавались на основе периодичности (по полнолуниям например). Эти клендари обладали цикличностью. В современном календаре ученые взяли период, за который Земля вращается вокруг Солнца. Сейчас существуют разные виды календарей,например: Пролептический календарь.

     Пролептическим называется календарь, используемый для обозначения дат, более ранних, чем дата введения самого́ календаря. Например, для обозначения всех дат до нашей эры чаще всего используется юлианский календарь, введённый только в 45 году до н. э. — следовательно, более ранние даты обозначаются по пролептическому юлианскому календарю. Так же существует всем известный садоводческий календарь. Садоводческим календарём пользуются садовники и огородники для точного определения дат посадки своих растений. Даты напрямую зависят от погодных условий, и свойств самих растений. И так же вечный календарь.Вечный календарь — это матрица, позволяющая узнать, на какой день недели приходится любая дата в пределах длительного промежутка времени (как правило, нескольких десятков или сотен лет). Многие из вечных календарей фактически создают сетку календаря на выбранный месяц выбранного года. Вечные календари могут также использоваться не только для определения дня недели, но и, например, церковных праздников без фиксированной даты.

      2.Развитие взглядов на пространство и время в истории науки.

   Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространстваи времени. Так, одни из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач и философ из г.Акраганта Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил,что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует. Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы,и необходима для их перемещений и соединений.

    В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило примущественно стихийный и противоречивый характер. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве. Геоцентрическая система К.Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании до 16 века. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира,в которой время было бесконечным, апространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли. Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н.Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том,что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис. Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной,но и направила движение естественно-научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

     Космологическая теория Д.Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и мирах» Бруно писал:»Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...». Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое,безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности». Практическое основание выводы Бруно получилив «физике неба» И.Кеплера. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представлени об их орбитах. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.

III. Абсолютное пространство и время в классическом естествознании.

        1. Теория относительности Г.Галилея.

     Подлинная революция в механике связана с именем Г.Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математичкескоей описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики-принцип отностительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность,то есть неизменность в системах длины, времени и ускорения.     Г.Галилей ввел 2 понятия пространства, это абсолютное пространство и относительное. Абсолютное пространство-это вместилище всех тел, а относительное пространство понимает под собой пространство относительное какой-то системе отсчета (аудитории,памятнику,магазину). В нашем мире Земля и ее атмосфера перемещаются относительно Солнца. Пространство обладает двумя свойствами: однородностью и изотропностью. Однородность — одно из ключевых свойств пространства в классической механике. Пространство называется однородным, если параллельный перенос системы отсчета не влияет на результат измерений.Из свойства однородности пространства следует фундаментальный физический закон сохранения импульса. Закоон сохранения импульса (Закон сохранения количества движения) утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.    Но следует различать однородность и изотропность пространства.  Изотропность пространства означает, что в пространстве нет какого-то выделенного направления, относительно которого существует «особая» симметрия, все направления равноправны.

     2. Понятие времени в классическом естествознании.

      В классическом естествознании понятие «время» разделялось на абсолютное и относительно,так же как и пространство. Абсолютное время представляет собой промежуток времени, не имеющий начала и непрерывно текущий, а относительное время подразумевает под собой  промежуток, начало которого относится к какой-то точке отсчета (наша эра, до нашей эры, каждый день мы отсчитываем время относительно 00.00 часов). Время обладает несколькими свойствами. Время непрерывно-текущее и временно промежуток не обратим. Мы не можем вернутся в тот момент когда нам было 5 лет,или когда мы только поступили в институт. Так же время однородно и не может в разных моментах идти быстрее или медленнее.

      3. Рационалистическая физика Р. Декарта.

    Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р.Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления? Теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия. Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем) , в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил простраство с протяженностью. Декарт развил так же представление о соотношении длительности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же-соприсуще человеку и потому является модулем мышления». «...Время, которое мы отличаем от длительности, -пишет Декарт в «Началах философии»,-есть лишь известный способ,каким мы эту длительность мыслим...»
Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.

       4. Новая картина мира И.Ньютона.

    Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И.Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы-закон всемирного тяготения.

Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна произведению квадрату расстояния между ними.

    Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной,а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов-центров гравитации. Так,в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения. В 1687 году вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия опередил развитие всей естественно-научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве-в смысле порядка и положения». Он предлагает  разливать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:

•                      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 мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как:час, день,месяц, год.

•                      Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

•                      Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном пространстве и времени играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространства» и «времени» ограничены  чувствами и свойствами познающей личности,а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства. Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную реакцию со стороны его современников-естествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немеций ученый Г.В.Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени как абсолютных сущностей.