Концепция относительности пространства-времени. 2

Негосударственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

«Институт профессиональных инноваций»

/г.  Москва/ 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

По дисциплине: Концепция современного естествознания

На тему: Концепция относительности пространства-времени 
 
 

        Студента Ю5С курса

                                                                                                         Специальность юрист

                                                                                                         Бахмут Юлия Юрьевна 
 
 
 
 
 

2011 г.  
 
 

План

Введение…………………………………………………………………………………...3

1. Развитие представлений о пространстве и времени………………………………….4 
2. Теория относительности……………………………………………………………….6 
3. Единство и многообразие свойств пространства и времени……………………11 
Заключение…………………………………………………………………………….…17

Список  литературы………………………………………………………………………18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Важнейшей задачей 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. Поэтому для их описания в естествознании сформировалось представление о пространстве и времени.

1. Развитие представлений о пространстве и времени

    В материалистической картине мира понятие  пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объемов и протяженности. 
Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной смены состояний предметов и круговорота различных процессов. 
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и 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. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.

    Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику: 
1. Абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

2. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год.

    Абсолютное  пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то не 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. 
Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. 
При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя.

    Проблема  пространства и времени была тесно  связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось  как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

    Именно  это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физики, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

    Современное понимание пространства и времени  было сформулировано в теории относительности  А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давней ей естественнонаучное обоснование. 
 
 
 

2. Теория относительности

    Специальная теория относительности, созданная  в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом  обобщения и синтеза классической механики Галелея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. «Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем». 
Исходным пунктом этой теории 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, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил».

    Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника  в закрытой каюте спокойно плывущего  корабля, он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки, а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме.

    Из  принципа относительности следует, что между покоем и движением - есть оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только, а точке зрения.

    Например, путешественник в каюте корабля  с полным основанием считает, что  книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль  плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или нет? 
На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

    Таким образом, слово «относительно» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

    Если  классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.

    В соответствии со специальной теорией  относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается. 
Находясь в сопутствующей системе отсчета, то есть, двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

    Абсолютность  скорости света не противоречит принципу относительности и полностью  совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

    Скорость  света - это верхний предел для  скорости перемещения любых тел  в природы, для скорости распространения  любых волн, любых сигналов. Она  максимальна - это абсолютный рекорд скорости. «Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света». Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

    Со  скорость света тесно связано  решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность.

    В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания, под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства, и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g то экипаж ракеты, будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

    Как можно представить себе искривление  пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).

    Одно  из самых фантастических предсказаний общей теории относительности - полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремиться к бесконечности, а ее частота - к нулю.

    Представления о пространстве и времени, формулирующиеся  в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются  на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Единство и многообразие свойств пространства и времени

    Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах  и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые и неразрывно связаны с другими ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.

    Из  всеобщих свойств пространства и  времени следует прежде всего  отметить: 
1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).

2. Их  абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.

3. Неразрывную  связь друг с другом и с  движущейся материей. 
4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре - наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо “разрывов” в самом пространстве. 
5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи - невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а так же неисчерпаемость их свойств.

    Всюду, где есть любое взаимодействие и  движение материи, сосуществование  и связь ее элементов, обязательно  наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы. 
В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, а их нужно объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи - пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. Но все же пространство и время, наряду с общими характеристиками, имеют такие всеобщие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи.

    К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность  - 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 тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементов материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям, из них не могли бы образовываться никакие системы.

2. Связность  и непрерывность - проявляются  в характере перемещения тел  от точки к точке, в распространении  воздействий через различные  материальные поля в виде близкодействия  в передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо “разрывов” в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях. Вместе с тем пространству свойственна относительная прерывность, проявляющаяся в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы, в существовании многообразных структурных уровней материи с различными пространственными отношениями. 
3. Трехмерность - общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). В одномерном или двумерном пространстве (линия, плоскость) не могли бы, происходит взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

4. Пространству  на всех известных структурных  уровнях материи присуще единство  метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. метрика может быть различной - евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны. Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

    Общие свойства времени:

1. Длительность - выступает как последовательность  сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний. Аналогично протяженности пространства длительность относиться к метрическим свойствам. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например, с состоянием материи типа сингулярности (объект с бесконечной плотностью, гравитационным полем и точечными размерами), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний, что равносильно отрицанию всякого материального бытия.

2. Длительность  бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения, которые его вызывают. Но время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый их которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход. 
Всеобщим свойством времени является необратимость, означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события - это те, которые возникают из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимоотношению между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, сосуществовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей. На отдаленное будущее также нельзя воздействовать, пока оно не возникает, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Понятие настоящего многозначно (как и понятие современности), ибо охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее - это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее - к будущему. Но это настоящее может быть расширено, в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события, до часа, дня, года и большего отрезка времени, как и понятие современности. 
4. Одновременность времени проявляется в линейной генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры - двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности. 
Рассмотрим теперь специфические и локальные пространственно - временные свойства систем. К пространственным свойствам относятся:

1. Контрольные  пространственные формы тел, их  положение в пространстве по  отношению друг к другу, скорость  пространственного перемещения, размеры тел. 
2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии (речь идет о них пойдет ниже) свойственны как макромиру, так и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

3. Изотропность  и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие  выделенных направлений (верха,  низа и других), независимость  свойств тел, движущихся по  инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно также полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидному пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями в зависимости от распределения тяготеющих масс.

    По  отношению ко времени специфическими являются такие свойства:

1. Конкретная  длительность существования материальных  систем от их возникновения  до распада, ритмы процессов  в них, соотношение между циклами  изменений. 
2. Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение между ними на разных этапах эволюции. С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения происходит относительное замедление всех процессов в телах, их собственное время как бы сокращается по отношению ко времени внешних систем. Конечность скорости распространения взаимодействий обусловливает относительность одновременности в различных системах. События, одновременные в одной системе, могут быть неодновременными по отношению к другой системе, движущейся относительно первой. Все это приводит к тому, что во Вселенной отсутствует единое время, как и одно единое пространство. Но каждая относительно меньшая материальная система существует и движется в пространстве и во времени большей системы, и между ними существует двусторонняя взаимосвязь.

Заключение

    Теория  относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

    Теория  относительности основана на основных постулатах:

1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;

2. Принцип  постоянства скорости света: скорость  света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. 
Отсюда можно сделать вывод об основных результатах, к которым приходит теория относительности: 
- относительность свойств пространства-времени;

- относительность  массы и энергии;

- эквивалентность  тяжелой и инертной масс.

Список  литературы

1. Грушевицкая  Т.Г. Концепция современного естествознания. - М. 2008.

2. Горелов А.А. Концепция современного естествознания. - М. 2007.

3. Еремеева А.И. Астрономическая картина мира и ее творцы. - М. 2004.

4. Рейхенбах Г. Философия пространства и времени. - М. 1985.

5. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. - С. 1998.

6. Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т. II - М. 1996.