Министерство  образования и  науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Казанский государственный  технический университет  имени А.Н.Туполева

Лениногорский филиал 

Кафедра Естественно-научных  гуманитарных дисциплин 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

    по  дисциплине:  «Естествознание»

    Тема:  «Современное представление

              о пространстве и времени» 
 

                  Исполнитель:                        Г.А.Гайнутдинова

                                                                студент группы 28176

                                                                  специальность 080507 

                  Проверил:                            ассистент кафедры ЕНГД

                                                                 Х.Х.Галямутдинов 
 
 
 
 
 

Лениногорск - 2009

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    В процессе создания естественно-научной  картины мира возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных предметов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.

    Для обыденно-житейских представлений  пространство и время — нечто  привычное, известное и даже в какой-то мере очевидное. Но если задуматься над тем, что, же все-таки такое пространство и время, то возникают сложные вопросы, напряженно обсуждавшиеся в истории философии и естествознания. В настоящее время нельзя решать их без опоры на достижения современной науки, причем не только достижения естествознания, но и тех данных социальных, гуманитарных дисциплин, которые раскрывают различные аспекты пространственно-временных представлений, их роли, места в человеческой жизни и деятельности.

    Зададимся вопросом, каков смысл категорий  «пространство» и «время». В своей  деятельности мы обнаруживаем такие  особенности структурной организации мира, что части и элементы, из которых построены материальные объекты, определенным образом расположены друг относительно друга, образуют некоторые устойчивые конфигурации, что задает границы объекта по отношению к окружающей среде. Можно сказать, что каждый объект характеризуется своеобразной «упаковкой» входящих в него элементов, их расположенностью относительно друг друга, и это делает любые объекты протяженными. Кроме того, каждый объект занимает какое-то место среди других объектов, граничит с ними.

    Все эти предельно общие свойства, выражающие структурную организацию материального мира,— свойства объектов быть протяженными, занимать место среди других, граничить с другими объектами — выступают как первые, наиболее общие характеристики пространства. Если их абстрагировать из действительности, отделить от самих материальных объектов, то мы получим представление о пространстве как таковом. Именно так и складываются представления о пространстве и понятие пространства, возникающие как результат активного взаимодействия человека с внешним миром, в ходе которого выявляются перечисленные выше предельно общие особенности его структурной организации.

    Понятие пространства имеет смысл лишь постольку, поскольку сама материя дифференцирована, структурирована. Если бы мир не имел сложной структуры, если бы он не расчленялся на предметы, а эти предметы в свою очередь не членились на элементы, связанные между собой, то понятие пространства не имело бы смысла. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.   Развитие представлений о пространстве и времени.

    Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, однако их рассуждения носили стихийный и нередко противоречивый характер. Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.

    Пространство  и время, как определяют их философы, — всеобщие формы существования материи, не существующие вне материи и независимо от нее. Пространство — математическая, физическая и философская категория. Время — физическая (но сейчас даже общее — естественнонаучная, так как и геологи, и биологи, и представители других естественных наук обосновывают необходимость использования понятия времени в своих исследованиях) и философская категория, как форма существования материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друг друга явлений.

    Исторически первым из математических пространств  и наиболее известным издавна и в настоящее время является евклидово пространство, представляющее приближенный абстрактный образ реального физического пространства. Менее известны пространства Лобачевского, Римана, Гильберта, Жюлиа, Хаусдорфа, Мандельброта и другие. Вопрос о том, какое математическое пространство отражает общие свойства реального физического пространства, решается опытом (но так и не решено до сих пор — какое именно?).

    Пространственно-временные  отношения и закономерности —  это очередной этап сложности реально (действительно) существующего мира, отношения, понимаемые первоначально на обыденном (созерцательном) уровне сознания, а в современную эпоху постигаемые на уровне научного сознания.

    С античных времен наиболее известными были две концепции совместного рассмотрения пространства и времени. Одна из них идет от древних атомистов — Демокрита, Эпикура и Лукреция, позднее тщательно разработана Ньютоном, которые ввели понятие пустого однородного и бесконечного пространства, а время рассматривали как субъективное ощущение действительности. Другая концепция восходит еще к Аристотелю, разработана в Новое время Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Все они фактически придерживались идеи о заполненном мировом пространстве (без пустоты), то есть идеи о тождестве протяженной материи и пространства.

    Вершиной  классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно Ньютон в своей знаменитой книге «Математические начала натуральной философии» ввел господствовавшие в науке до начала XX в. понятия пространства и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предложил различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

    Абсолютное  пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, всегда остается одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

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

    Абсолютное  время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно. Абсолютное время можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

    Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это — минута, час, день, месяц, год.

    Время универсально, непрерывно, бесконечно, одномерно. От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное или обыденное время. Парадокс ньютонова пространства и времени состоит в том, что не существует опытов, которые позволили бы измерять положение тела в пространстве или момент времени события — экспериментально можно измерять только расстояния между телами или промежутки времени между событиями. Таким образом, чтобы сопоставлять пространству и времени какие-либо физические величины, мы должны выбрать некоторое тело, в качестве начала отсчета расстояний, и некоторый момент времени, в качестве начала отсчета его промежутков, что в конечном итоге ведет к необходимости введения некоторой системы отсчета. Вот с этого выбора и начинается ньютонова наука о движении — механика.

    Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с  Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время — как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он говорил о неразрывной связи материи с пространством и временем.

    Согласно концепции Лейбница, пространство и время не есть самостоятельные начала бытия. Пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, сосуществующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. Протяженность любого объекта не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния. Что же касается самой природы времени как порядка сменяющих друг друга явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь.

    В истории естественнонаучных представлений  о времени, как отдельном феномене, можно выделить четыре его концепции, группируемых обычно попарно. Первая пара концепций времени расходится по вопросу о природе времени: 1) субстанциальная концепция рассматривает время как особую субстанцию, субстрат, наряду с пространством, веществом и другими физическими характеристиками; 2) реляционная концепция считает время отношением (или системой отношений) между физическими событиями. Вторая пара концепций времени выражает разные точки зрения на процесс становления времени: 1) статическая концепция считает события прошлого, настоящего и будущего существующими реально и в известном смысле одновременно, а становление и исчезновение материальных, физических объектов — это иллюзия, возникающая в момент осознания того или иного изменения; 2) динамическая концепция, напротив, считает, что реально существуют только события настоящего времени, события прошлого уже реально не существуют, а события будущего еще реально не существуют. Видно, что в этих концепциях смешиваются физика и философия и как трудна и неоднозначна проблема времени.

    Укоренившиеся в науке ньютоновские представления  о пространстве и времени изменились, когда в физическую картину мира вошла в конце XIX века концепция поля, как формы материальной связи между объектами вещества, поля, как особой и самостоятельной формы материи. Казалось, что для рассмотрения поля, тогда только электромагнитного, нужна особая среда — эфир, заполняющий мировое абсолютное пространство, но это не нашло ни тогда, ни сейчас достоверного опытного подтверждения.

    Представления о новых свойствах пространства и времени получили новое развитие в научной дисциплине, получившей название специальная теория относительности, или релятивистская механика. Герман Минковский, развивая представления Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна о свойствах пространства и времени, заявил с трибуны съезда естествоиспытателей в 1908 году: «Воззрения на пространство и время... возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должно обратиться в фикцию, и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Так им было установлено единство пространства и времени, их объединение в пространство-время с четырьмя (три пространственных и одна временная) измерениями или координатами. Академик Анатолий Логунов так определил сущность теории относительности, называя это утверждение постулатом: «Физические процессы протекают в четырехмерном пространстве, геометрия которого псевдоэвклидова» (иногда псевдоэвклидово пространство называют миром или пространством Минковского).

    Теория  относительности исключает представления  о пустых (свободных) пространстве и времени, имеющих какие-то собственные измерения. Дальнейшее развитие теории относительности в виде теории тяготения или общей теории относительности, осуществленное Эйнштейном, показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс, от распределения материи. Таким образом, была доказана несостоятельность как воззрений Канта, определившего пространство и время как априорные формы человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и несостоятельность догматических воззрений Ньютона на абсолютное пространство и время. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Концепции пространства и времени  в современном  естествознании.

1. Пространство  и время в свете  теории Альберта Эйнштейна.

    Около десяти лет размышлял Эйнштейн над проблемой влияния скорости движения тел на электромагнитные явления. В результате он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галилея. Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями Галилея скрывается принципиально иное представление о пространстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип относительности является квинтэссенцией классической механики, и поэтому должен быть сохранен. От концепции абсолютного пространства и времени, как не имеющих реального физического содержания, следовало отказаться.

    Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом  обобщения и синтезом классической механики Галилея – Ньютона, и электродинамики Максвелла - Лоренса. “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”.

    Специальная теория относительности (СТО) базируется на двух постулатах. Первый постулат СТО — расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

    Классический  принцип относительности Галилея  очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Для путешественника, плывущего на корабле, книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем. В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы пустой тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

    Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение 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 понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета. 

    Эйнштейн  развил классический принцип относительности  и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим и действует не только в механике, но и в электродинамике.

    Второй  постулат СТО Эйнштейн позаимствовал  из электродинамики — это принцип постоянства скорости света, которая в вакууме примерно равна 300 000 км/с. Второй постулат говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчета.

    Но  почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается к принципу относительности? Дело в том, что скорость света — самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира.

    Движение  света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения (как в приведенном выше примере). Скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

    Скорость  света — это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн и сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости. Она является предельной скоростью любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире. Если бы это было не так, нарушился бы фундаментальный закон причинности, утверждающий, что причина всегда предшествует следствию. Тогда разрушилась бы логическая связь событий во Вселенной, в мире воцарился абсолютный хаос и случайность.

    Разумеется, все сказанное нами о скорости света, противоречит тому, что мы видим в окружающем нас мире. Более того, одновременное действие этих двух постулатов кажется невозможным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается к анализу проблемы одновременности, которая и составляет суть теории относительности.

    Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, в которых находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, то наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

    Таким образом, специальная теория относительности  утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

    Общая теория относительности. В рамках общей теории относительности, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения, давно привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую теорию относительности часто называют теорией тяготения. В ней были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Общая теория относительности основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

    Первый  постулат общей теории относительности  — расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл только по отношению к фактору, его определяющему.

    Второй  постулат — принцип постоянства скорости света — остается неизменным.

    Третий  постулат — принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Теоретический анализ, который был сделан ученым, позволил сделать вывод, что физика не знает способа отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Иначе говоря, 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.

    Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной теорией относительности, но и в гравитационных полях.

    Сделанный вывод неразрывно связывал общую  теорию относительности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для этого не годилась. Эйнштейн использовал геометрию Б. Римана, которая верна для поверхности сферы, и сделал вывод о кривизне пространства-времени.

    Теория  относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала, отправленного на такое же расстояние, Солнца не будет. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Такие эксперименты проводились, начиная с 1966 г., в качестве отражателя использовались как поверхности планет (Меркурия, Венеры), так и оборудование межпланетных станций.

    Одно  из самых фантастических предсказаний общей теории относительности — полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

    Существование черных дыр было предсказано общей теорией относительности. Если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км), оно превратилось бы в черную дыру. Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы. С нашим Солнцем такого не случится, а вот звезды, превосходящие Солнце по массе в 3 раза, в конце своей эволюции превращаются в такие объекты.

2.   Пространство и время на уровне микромира.

    В квантовой механике была найдена  принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам. В квантовой физике была поставлена  важная проблема о необходимости пересмотра пространственно – временных представлений  классической физики. Они оказались  лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм   упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование   принципиальной неопределённости в состоянии объекта, наличие  черт целостности  и индивидуальности в микромире, что и выражалось в понятии универсального кванта действия h.

       Квантовая механика была положена в основу бурно                                                             развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не создана обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды  взаимодействий и специфические свойства пространственно - временных  отношений. Область доступных в эксперименте микроскопических интервалов  условно делится на четыре уровня: