Простейшая симметрия (асимметрия) в пространстве и времени

Содержание 

Введение                                                                                                               3

1. Развитие  представлений о пространстве  и времени.                                     4

2. Пространство  и время в теории относительности  А. Эйнштейна.               8

3. Симметрия  и законы сохранения.                                                                    12

Заключение                                                                                                             15

Список  литературы                                                                                                16                                                                                 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                       Введение

     Важнейшая задача естеcтвознания - создание  естественно- научной картины мира, образующей в целом упоpядоченную систему, которая по мере pазвития науки уточняется и дополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-втоpых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.

     Выделение общего ведет к абстракциям,  т.е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой-

общие свойства природы. Такими понятиями  и концепциями оперирует в  первую очередь физика как фундаментальная  основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся  материя, движение, пространство и время. В этом реферате будет уделено  внимание понятиям пространство и время.

     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 и опосредовано связаны с измерением длин и длительностей, т.е.  пространственно – временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубления знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени. 
 
 
 
 
 

                      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. 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.

     С точки зрения этой концепции  абсолютные пространство, время  и материя представляют три  независимые друг от друга  сущности. Некоторые философы и  ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный  соперник Ньютона Г. Лейбниц.  Он  выступил с критикой субстанциальной  концепции и отстаивал принципы  реляционной теории пространства  и времени, считая «пространство,  так же как и время, чем-то  чисто относительным: пространство  — порядком существований, а  время- порядком последовательностей. Ибо пространство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия».

     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. Однако взгляды Лейбница  не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона.  Сформулированные им законы движения  и закон всемирного тяготения,  ставшие основой классической  механики, основывались на понятиях  абсолютного пространства и времени.  Поэтому на некоторые недостатки  идей Ньютона предпочли не  обращать внимания. 

      К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Так, согласно идее английского математика В. Клиффорда, высказанной в 1870-х гг., многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со временем, а физику можно представить как некоторую геометрию. Клиффорд предложил нечто вроде полевой теории материи, где материальные частицы представляют собой сильно искривленные области пространства, а «изменение кривизны пространства и есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи, будь она весомая или эфирная». Вследствие искривления пространства действительная геометрия мира подобна «холмам» на ровной местности, а перемещение частиц материи есть не что иное, как перемещение «холма» от одной точки к другой. Клиффорд принадлежит к ряду немногочисленных в XIX в. провозвестников эйнштейновской теории гравитации.

     В середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсолютного пространства и времени относительными.          Тем не менее утверждение новых взглядов на пространство и время произошло только в начале XX в. после создания А. Эйнштейном теории относительности. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, свойства материальных тел, существующие только вместе друг с другом и с движущейся материей.

                             Свойства пространства и времени.

      Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней. Однако в истории науки и философии существовал и другой взгляд на пространство и время — только как на субъективные всеобщие формы нашего созерцания.

  Согласно  этой точке зрения, пространство и  время не присущи самим вещам, а зависят от познающего субъекта. В данном случае преувеличивается относительность нашего знания на каждом историческом этапе его развития. Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И. Канта.

  Пространство  и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развертывается в пространстве.

  Важным  свойством пространства является его  трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин — координат. В прямоугольной декартовой системе координат это X, У, Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат — радиус-вектор r и углы а и b. В цилиндрической системе — высота z, радиус-вектор и угол а.

  В науке используется понятие многомерного пространства (n-мерного). Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному пространству оно не имеет отношения. Каждая координата, например 6-мерного пространства, может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности: температуру, плотность, скорость, массу и т.д. В последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 — пространственных и 1 — временное. Затем из них возникает 4-мерный континуум (лат. continuum — непрерывное, сплошное).

  В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время — необратимо и одномерно. Оно течет 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. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необратимость времени и его направленность определяются причинной связью, так как причина всегда предшествует следствию. Однако очевидно, что понятие предшествования уже предполагает время. Более прав поэтому Г. Рейхенбах, который пишет: «Не только временной порядок, но и объединенный пространственно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры Вселенной»^.

    Необратимость времени не была  осмыслена и в теории относительности А. Эйнштейна. В том виде, в каком время входит в принципы теории относительности, оно не содержит различие между прошлым и будущим. Во второй половине XX в. с появлением синергетики и физики неравновесных процессов появилась возможность математическим путем объяснить существование стрелы времени. При этом синергетика исходит из следующих положений.

1. Все системы, допускающие несводимое вероятностное описание, будут считаться хаотическими, так как эти системы можно описать не в терминах отдельных траекторий, а только в терминах пучков (ансамблей) траекторий.
2. Хаос позволяет включить стрелу времени в фундаментальное описание материальных систем.

     Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время — однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность — в равноправии всех направлений. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую можно принимать за начальную.

  Указанные свойства пространства и времени  связаны с главными законами физики — законами сохранения. Если свойства системы не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон сохранения. Это — одно из существенных выражений симметрии в мире. Симметрии относительно сдвига времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии в отношении поворота координатных осей (изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса, или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-временного интервала, его инвариантность и абсолютность по отношению ко всем системам отсчета.

  Особо следует сказать о структуре  микропространства и мега-пространства. Микропространство является квантованным, ему присуща ячеистая структура. Специфика микропространства связана и с существованием виртуальных частиц, взаимным превращением элементарных частиц, их аннигиляцией. В микромире действует больше, чем в макромире, законов сохранения. Одна и та же элементарная частица может плодчиняться нескольким законам сохранения².

  В мегамире метрические свойства пространства зависят от распределения полей тяготения. Чем больше поле тяготения, тем сильнее сокращается протяженность пространственных объектов. При этом пространство, как уже отмечалось выше, оказывается не плоским, а приобретает кривизну. Кривизна пространства увеличивается по мере приближения к областям с повышенной плотностью материи.

       Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна.

     В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

     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.

      Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея — 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»

     Если бы были найдены абсолютные  пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы равноправны. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. «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».

  Скорость  света является предельной скоростью  распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

     Время же необратимо. Отсюда известный парадокс близнецов. После путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он с удивлением увидит, что его брат стал старше его. Можно даже рассчитать такой полет.

      Представим себе, что с Земли  стартовал космический корабль  со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Но согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет, оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца.

  Физиологические процессы здесь совершенно ни при чем. Нельзя спрашивать, почему за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Теория относительности доказала, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.

     Говоря об относительности пространственных и временных величин в разных системах отсчета, следует помнить, что в теории относительности мы наблюдаем неразрывную связь относительного и абсолютного как одно из проявлений физической симметрии. Поскольку скорость света является абсолютной величиной, то и связь пространства и времени обнаруживается как некоторая абсолютная величина. Она выражается в так называемом пространственно-временном интервале. В каждой системе отсчета длина тела и временной промежуток будут различны, а эта величина останется неизменной. Увеличение длины будет соответствовать уменьшению промежутка времени в данной системе, и наоборот.

     В общей теории относительности (ОТО), или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей.

    Какие же следствия для пространства и времени вытекают из общей теории относительности? Для этого нужно обратиться вначале к геометрии, которая возникла прежде всего как учение о физическом пространстве, измерении земельных площадей и строительных сооружений. Но уже в древности появилась теоретическая, аксиоматическая геометрия Евклида, которая оставалась единственной до XIX в. Правда, до конца XIX в. не делалось какого-либо различия между теоретической и физической геометрией.

  С геометрией Евклида связывался тот  взгляд, что пространство везде одно и то же. Она исходила из пяти аксиом, или постулатов. Многих математиков не удовлетворял пятый постулат, который гласил, что из одной точки на плоскости можно провести только одну прямую, которая не будет пересекаться с данной, сколько бы ее ни продолжали. Этот постулат не был очевиден, так как никто не мог бы его экспериментально подтвердить даже в воображении — нельзя же линию продолжить в бесконечность.

   Ряд известных математиков пытались доказать, что этот постулат на самом деле является теоремой, т.е. его можно вывести из четырех других. Но все их попытки оказались неудачными.

   И лишь Н.И. Лобачевский в России, Б. Риман в Германии и Я. Больяй в Венгрии построили новые геометрии, отбросив пятый постулат и заменив его на другие. Б. Риман заменил его на ак сиому, что через точку, лежащую вне данной прямой на плоскости, нельзя провести ни одной параллельной, все они будут пересекаться с данной прямой. Н.И. Лобачевский и Я. Больяй допустили, что существует множество прямых, которые не пересекутся с данной прямой.

     В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства - времени определяется распределением масс материи. Когда корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна в апреле 1921 г., в чем суть его теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».     

     Релятивисткие эффекты.

     Под релятивистскими эффектами  в теории относительности понимают  изменения пространственно-временных  характеристик тел при скоростях,  соизмеримых со скоростью света.

     В качестве примера обычно  рассматривается космический корабль  типа фотонной ракеты, который  летит в космосе со скоростью,  соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

     1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии (E= mc²). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.

     2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать. 3. Замедление времени. В космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.

     Эффект замедления времени сказался  бы не только на часах внутри  корабля, но и на всех процессах,  протекающих на нем, а также  на биологических ритмах космонавтов.  Однако фотонную ракету нельзя  рассматривать как инерциальную  систему, ибо она во время  разгона и торможения движется  с ускорением (а не равномерно  и прямолинейно).

В те    ории относительности предложены принципиально новые оценки пространственно-временных отношений между физическими объектами. В классической физике при переходе от одной инерциальной системы (№ 1) к другой (№ 2) время остается тем же – t₂ = t_L а пространственная координата изменяется по уравнению x₂ = x₁– vt. В теории относительности применяются так называемые преобразования Лоренца:

     Из отношений видно, что пространственные  и временные координаты зависят  друг от друга. Что касается  сокращения длины в направлении  движения, то

а ход  времени замедляется:

     В 1971 г. в США был поставлен эксперимент по определению замедления времени. Изготовили двое совершенно одинаковых точных часов. Одни часы оставались на земле, а другие помещались в самолет, который летал вокруг Земли. Самолет, летящий по круговой траектории вокруг Земли, движется с некоторых ускорением, и значит, часы на борту самолета находятся в другой ситуации по сравнению с часами, покоящимися на земле. В соответствии с законами теории относительности часы-путешественники должны были отстать от покоящихся на 184 нс, а на самом деле отставание составило 203 нс. Были и другие эксперименты, в которых проверялся эффект замедления времени, и все они подтвердили факт замедления. Таким образом, разное течение времени в системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, является непреложным экспериментально установленным фактом.

                                Симметрия и законы сохранения.

     Под симметрией понимают однородность, пропорциональность, гармонию каких-то материальных объектов. Асимметрия – понятие противоположное. Любой физический объект содержит элементы симметрии и асимметрии.

     В физике симметрия определяется  следующим образом: если физические  законы не меняются при определенных  преобразованиях, которым может  быть подвергнута система (физический  объект), то считается, что эти  законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно этих преобразований.

     Симметрии делят на пространственно-временные и внутренние, последние относятся только к микромиру.

     Среди пространственно-временных  рассмотрим основные.

     1. Сдвиг времени. Изменение начала отсчета не изменяет физических законов. Время однородно по всему пространству.

     2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат. Такая операция не изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и пространство однородно.

     3. Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет физические законы неизменными – значит, пространство изотропно.

     4. Классический принцип относительности Галилея устанавливает симметрию между покоем и равномерным прямолинейным движением.

     5. Обращение знака времени не изменяет фундаментальных законов в макромире, то есть процессы макромира могут описываться и при обращении знака времени. На уровне макромира наблюдается необратимость процессов, так как они связаны с неравновесным состоянием Вселенной.

     Переход от одной инерциальной  системы к другой можно осуществлять  следующими преобразованиями:

1. Сдвиг начала координат. Это связано с физической эквивалентностью

всех  точек пространства, т. е. с его  однородностью. В этом случае говорят  о симметрии относительно переносов  в пространстве.

2. Поворот тройки осей координат. Эта возможность обусловлена

одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т. е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов.