Пространство и время - основные формы существования материи

     РЕФЕРАТ 

     по  ФИЗИКЕ 

     на  тему:  

     «Пространство и время – основные формы существования  материи» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      План: 

1. Введение……………………………………………………………
2. Основы концепций пространства и времени…………………….

3. Диалектико-материалистическое учение о пространстве и времени……………………………………………………………..

4. Взаимосвязь законов сохранения со свойствами пространства и времени…………………………………………………………..
5. Теория относительности А.Эйнштейна
1. Предпосылки создания теории относительности………
2. Специальная теория относительности…………………..
3. Общая теория относительности…………………………
6. Заключение………………………………………………………...
7. Список литературы………………………………………………..

    Введение.

    В обыденной жизни мы постоянно  сталкиваемся с понятием пространства и времени, для нас это нечто привычное, известное и даже в какой-то мере очевидное. Однако в истории различных наук (философии, физики, естествознания) напряженно обсуждались сложные вопросы, которые возникали вместе с попытками понять значение этих понятий.

    В данном реферате я делаю попытку рассмотреть фундаментальные категории физической реальности, каковыми являются пространство и время.

    Большую группу философских вопросов физики составляют ее теоретические проблемы, связанные с конкретизацией таких философских категорий, как ”материя”, ”движение”, ”пространство”, ”время”, ”отражение” и т.п. 

    Важно проследить то, как с развитием наук менялось представление об этих категориях и их взаимосвязи, и чем современное понимание этих вещей отличается от представлений древних.

    Основы  концепций пространства и времени.

    О том, что такое пространство и  время, люди задумывались еще в глубокой древности. В наиболее отчетливой форме  представления о пространстве и  времени сложились в виде двух противоположных концепций, названных  впоследствии концепциями Демокрита-Ньютона  и Аристотеля-Лейбница. Первая концепция  допускала существование пространства как некоторой пустоты, не связанной  с материальными предметами. При  этом считалось также, что время  представляет собой самостоятельную  сущность, не связанную с материей и пространством. С точки зрения второй концепции, не мыслились пространство и время, оторванные от вещей. В науке  до конца XIX и начала ХХ в. господствовала первая концепция. Древнегреческие  философы Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар  и др. пришли к пониманию пространства как пустоты исходя из своего атомистического  учения. Они считали, что для существования  и движения атомов требуется пустота - некое вместилище, где атомы, сочетаясь  различным образом в движении, образуют многообразие тел. С развитием  классической физики идеи Демокрита  о сущности пространства и времени  были развиты в трудах Бруно, Галилея, Декарта и др. Особенно большой  вклад в этом отношении был  сделан Ньютоном, искавшим при создании классической механики универсальную  систему отсчета, относительно которой  происходит механическое движение тел. В качестве такой универсальной  системы Ньютон и выбрал пространство. По Ньютону, пространство суть пустое абсолютное вместилище, в котором  располагаются все тела как нечто  внешнее по отношению к нему. Все  тела обладают протяженностью независимо от существования других тел. Ньютон полагал, что пространство трехмерно, непрерывно, однородно и изотропно. Его различные части ничем  не отличаются друг от друга, и, значит, пространственные отношения были всюду  одними и теми же и описывались  единой геометрией - геометрией Евклида. Время суть чистая длительность, присущая любому единичному явлению самому по себе. Оно также абсолютно. Абсолютность пространства и времени Ньютоном понималась в двух различных, хотя и  взаимосвязанных, аспектах. Во-первых, "абсолютным пространством" Ньютон называл пустое и неподвижное  по отношению к материи пространство (некое вместилище тел), с которым  связывалась привилегированная  система координат. Во-вторых, термин абсолютности употребляется для  характеристики инвариантности, т.е. неизменности длин отрезков в любых системах отсчета. Аналогично понятие "абсолютное время" характеризовало его, с одной  стороны, как чистую длительность, с  другой стороны, как неизменность (инвариантность) временных интервалов в любых  системах отсчета. Это означало, что  всюду в пространстве существует единое "мировое" время, не зависящее  от выбора системы координат и  взаимного движения тел. Ньютоновские представления о пространстве и  времени удовлетворяли потребностям классической физики, так как была найдена универсальная система  отсчета, относительно которой совершалось  любое механическое движение, - абсолютное пространство.

    Далее рассмотрим кратко сущность второй концепции  пространства и времени. Аристотель, выступая против идеи атомистического  строения мира, отбросил вместе с ней  и идею пустого пространства. С  точки зрения Аристотеля, пространство представляет собой совокупность мест занимаемых телами. Иными словами, пространство - это порядок взаимного расположения множества различных тел, а время - порядок сменяющих друг друга  явлений и состояний тел, т.е. время  связывалось с движением, изменением тел. Дальнейшее развитие вторая концепция  получила в трудах Лейбница, Гюйгенса, Дидро и др. Согласно Лейбницу, пространство и время не могут существовать вне материи и процессов, происходящих в ней. Лейбниц выступал против Ньютоновского  понимания чистой протяженности  и чистой длительности. С точки  зрения диалектического материализма пространство и время неразрывно связаны между собой и с  движущейся материей, формами существования  которой они являются. По этой концепции  бытие вне времени есть такая  же величайшая бессмыслица, как бытие  вне пространства, пространство и  время без материи - пустые представления, абстракции, существующие только в  нашей голове. Конечно, в диалектико-материалистической концепции раскрыта сущность пространства и времени в основном с общефилософских  позиций. Однако с развитием современной  науки ее выводы получили естественно-научное  подтверждение. Научное определение  пространства и времени, и также  более или менее полное раскрытие  их свойств связано с развитием  современной науки, прежде всего  физики и философии. В настоящее  время, как мне кажется, достаточно точно выражается сущность пространства и времени в следующих определениях. "Пространство - это совокупность отношений выражающих координацию  материальных объектов, их расположение друг относительно друга и относительную  величину (расстояние и ориентацию). Пространство выражает порядок расположения одновременно существующих объектов, их протяженность. Время - совокупность отношений, выражающих координацию  сменяющих друг друга состояний (явлений), их последовательность и  длительность". Приведенные определения  носят диалектико-материалистический характер. Они показывают невозможность  дать понятия пространства и времени  в их отрыве от материи, невозможность  их рассмотрения как некоторых абсолютно  самостоятельных сущностей. Здесь  пространство и время не мыслятся иначе, как определенные свойства бесконечной  совокупности материальных объектов. Только через существование последних, благодаря тому, что они обладают протяженностью, размерами, взаимным расположением  друг относительно друга, последовательностью  смены состояний и длительностью  их бытия, мы можем понять, что такое  пространство и время. Зависимость  пространства и времени от материи  определяет и все их основные свойства. При этом следует подчеркнуть, что  хотя они в равной степени есть формы существования материи, однако между ними есть и различия. А  поэтому они имеют ряд свойств, как общих, так и отличающих их друг от друга.

    Общим свойством, во-первых, является их объективность. Поскольку материя не зависит  от сознания людей, постольку пространство и время также независимы от него. В этот вопрос идеалисты внесли путаницу. Так, Беркли считал, что пространство есть не что иное, как сосуществование  ощущений в духе, субъекте; время - последовательность ощущений. По Канту, пространство и  время есть априорные (доопытные) формы  чувственности. Накладываясь на хаос ощущений, эти априорные формы упорядочивают  их в пространстве и времени. Во-вторых, в силу вечности существования материи, вечны пространство и время. Не может  быть такого положения, когда материя  существовала бы или до того, как  появились пространство и время, как после того, как они уже  исчезли. С попытками мыслить  пространство и время как имеющими начало или конец мы встречаемся  у Гегеля, Дюринга и др. У Гегеля природа развертывается сначала  в пространстве, а затем уже  во времени. А следуя Дюрингу, необходимо вообще признать, что было время, когда  времени не было. Третьим свойством  пространства и времени является их бесконечность и безграничность. В применении к пространству безграничность означает, что в какую бы сторону  и на какое бы расстояние ни двигаться, нигде и никогда мы не достигнем  такой границы, которую можно  считать пределом. Бесконечность  пространства проявляется в том, что как бы велики не были размеры  системы, всегда найдется такая система  большего порядка, которая будет  включать в себя первую систему в  качестве одного из своих элементов. Относительно времени безграничность и бесконечность проявляются в отсутствии событий, после которых уже не будет никакой длительности, не будет неисчислимого количества процессов, следующих один за другим. В-четвертых, пространство и время обладают свойствами абсолютности и относительности. Причем абсолютность здесь мыслится не в ньютоновском смысле. Она проявляется в том, что, независимо от смены явлений, от любых изменений в материальных телах, пространство и время объективно существуют. Иначе говоря, ни один материальный объект, какими бы он свойствами ни обладал, не может оказаться вне времени и пространства. Вместе с тем свойства пространства и времени могут изменяться с изменением свойств материи. Например, в зависимости от материальных условий может изменяться кривизна пространства (что нашло отразилось в создании неевклидовых геометрий). Эйнштейн показал, что в разных инерциальных системах отсчета длины отрезков и промежутки времени различны. Эти примеры свидетельствуют об относительности пространства и времени. Важным свойством является то, что пространство и время непрерывны и вместе с тем прерывны (дискретны). Непрерывность пространства и времени выражается в том, что между любыми двумя элементами пространственной протяженности всегда существует такой элемент протяженности, который соединяет оба первых в единую пространственную протяженность. Точно так же между двумя любыми временными интервалами всегда найдется третий, соединяющий их в единую временную длительность. Прерывность пространства и времени заключается в том, что они включают элементы, различающиеся по своим внутренним свойствам, по структуре, т.е. по своим качественным характеристикам.

    Отметим еще одно общее свойство пространства и времени. Этим свойством является их внутренняя противоречивость. Предыдущие два свойства являются примерами  ее проявления. Бесконечность пространства и времени складывается соответственно из конечных длительностей отдельных  процессов. Какие же свойства отличают пространство и время друг от друга? Частным свойством пространства является его трехмерность. Она выражается, во-первых, в том, что тело в пространстве сможет перемещаться в любом направлении: вверх, вниз, вправо, влево, вперед, назад. Во-вторых, все материальные тела обладают трехмерной пространственной формой - протяженностью в длину, ширину и  глубину. Математически трехмерность пространства выражается во взаимооднозначном  соответствии между его точками  и тройками чисел – их координатами в заданной произвольной системе  координат. Время, в отличие от пространства, одномерно. Это означает, что если задано начало отсчета во времени, то начало или конец какого-либо процесса, длина временного промежутка будут  описаны одним числом. Кроме того, время обладает свойством необратимости. Во времени невозможно движение вспять. Оно течет всегда и всюду в  одном и том же направлении: от прошлого к настоящему, от настоящего к будущему. Отсюда, заметим попутно, следует необратимость во времени  причинно-следственных связей. Из вышеуказанных  свойств пространства и времени  вытекает то, что пространство обладает свойствами симметрии, а время - асимметрично. Симметричность пространства выражается в том, что объекты, расположенные  в одной части пространства, могут  являться зеркальным отражением материальных объектов в другой части пространства относительно определенной линии. Имеет  место и симметрия пространства относительно оси вращения его около  произвольной точки. Симметрия пространства проявляется в симметричной конфигурации различных материальных тел. Например, в форме кристаллов, строения бабочек. В классической физике и специальной  теории относительности господствующее значение имеют постулаты об однородности и изотропии пространства и однородности времени, вытекающие из их свойств. Однородность пространства состоит в равноправии  всех его точек, а изотропия - в  равноправии всех его направлений. Однородность времени предполагает равноправие всех моментов времени. Это значит, что в каждой точке  пространства, в любом направлении  и в любой момент времени законы физики действуют одинаково. Изменение  представлений о пространстве и  времени, связанное с созданием  неевклидовых геометрий, открытием  специальной теории относительности, вызвало большой резонанс и в  области философии. Ряд философов  и физиков пришли к выводу: поскольку  наши представления о пространстве и времени меняются, следовательно, они субъективны. Между тем абстрактные  понятия пространства и времени  являются относительными, они могут  изменяться, уточняться с развитием науки, однако отсюда не следует, что изменяются в зависимости от этого, приспосабливаясь к нашему опыту, объективные пространство и время. Изменчивость представлений о пространстве и времени означает лишь, "что наш опыт" и наше познание все более приспосабливаются к объективному пространству и времени, все правильнее и глубже их отражая. Обоснование объективности пространства и времени имеет актуальное значение для современной физики, встретившейся с их новыми свойствами в области микромира. Открытие неевклидовых геометрий, наряду с доказательством материальности электромагнитного поля, создали предпосылки для коренного изменения представлений о пространстве и времени. С открытием поля, по словам Эйнштейна, стала возможной победа над ньютоновским абсолютным пространством, поскольку не стало отграниченных друг от друга предметов. Все оказалось заполненным материей и не стало пустоты. Следующим важным моментом в развитии физики было установление в 1881 г. американским физиком Майкельсоном независимости скорости света относительно движущихся тел. В физике возникло противоречие между законами классической физики и новыми открытиями.  
 

Диалектико-материалистическое учение о пространстве и времени.

      В.И.Ленин  в работе «Материализм и эмпириократизм»  писал: «Учение о пространстве и  времени неразрывно связано с  решением основного вопроса гносеологии: представляют ли из себя наши ощущения образы тел и вещей, или тела суть комплексы наших ощущений». Отсюда следует, что все многочисленные точки зрения на сущность пространства и времени в философском смысле могут быть разделены на материалистические и идеалистические.

      Опираясь  на достижение науки и практики, диалектический материализм показал, что пространство и время –  это объективные, независимые от человека и его сознания формы  бытия материи. «Наши развивающиеся  понятия времени и пространства, – писал В.И.Ленин, – отражают объективно-реальное время и пространство…». Более того, пространство и время  являются основными формами существования материи, ее атрибутами. В отличие от механицистов, метафизических материалистов, рассматривающих пространство как неподвижное, независимое от материи вместилище вещей и предметов, диалектический материализм показывал зависимость свойств пространства и времени от движущейся материи. В естествознании мысль о возможной зависимости свойств пространства от происходящих в нем физических процессов возникла в работах Лобачевского. Именно им впервые в истории науки было высказано предположение о существовании связи между геометрическими свойствами пространства и времени и характером распределения в нем масс.

      Пространственные соотношения это реальные соотношения взаимного положения (сосуществования) протяженных материальных образований; временные соотношения столь же реальные соотношения длительности, следования друг за другом материальных процессов. Пространство и время как философские категории отображают объективно существующие пространство и время как формы бытия движущейся материи. «Разумеется, обе формы существования материи, - писал Ф. Энгельс в «Диалектике природы», - без материи суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове».

      Пространство  и время по своей природе и  абсолютны и относительны. Абсолютность пространства и времени состоит  в том, что они являются атрибутами материи, коренными, основными формами  ее бытия. Относительность пространства и времени заключается в зависимости  их свойств от свойств конкретных форм движущейся материи.

      Вечность  существования и неисчерпаемость  материи определяют безграничность, бесконечность пространства, времени  и неисчерпаемость их свойств. Бесконечность  и безграничность пространства –  это не одно и то же. Безграничность означает просто отсутствие границ. Например, движение по окружности не наталкивается  ни на какие границы, и в этом смысле окружность безгранична; но она не бесконечна, так как длина ее измеряется вполне определенным конечным числом. Конечное и бесконечное не являются какими-то застывшими, раз и навсегда данными, неизменными сущностями. Бесконечность  выступает как постоянное самоотрицание, движение конечного. Если представить  себе бесконечность неизменной, застывшей, то она тем самым уже оказалось  бы  ограниченной в своем состоянии, оконченной.

        Диалектический материализм отвергает   метафизическую трактовку пространства, согласно которой как бы далеко  мы ни углублялись в просторы  вселенной или в недра атомов  и «элементарных» частиц, мы всюду  будем встречаться с однородными  пространственными отношениями,  с одинаковыми известными нам  телами и закономерностями. Единство  мира не следует понимать как  единообразие его строения. Напротив, единство мира предполагает неисчерпаемость  движущейся материи и таких  форм ее существования, как  пространство и время. Понятие  пространства включает общее  свойство бесконечного множества  сосуществующих тел определенным  образом отграничивать друг друга  и вместе с тем продолжать  друг друга.

      Понятие времени отражает процесс изменения  материи со стороны отношений  следования. Это длительность  материальных объектов в их собственном бытии, длительность, зависящая от отношений  данного тела к другим телам, а  также от характера процессов, происходящих в нем. Представления и понятия  человечества о времени, развивающиеся  в ходе познания действительности, все в большей степени отражают объективные временные процессы.

      Чрезвычайно важной характеристикой времени  является его направленность от настоящего к будущему. Обратное движение от будущего к прошлому исключено. Эта проблема и в физике и в философии  наименее изучена. В теории «элементарных» частиц некоторые физики (Э. Шредингер, Г. Моргенау и другие) пользуются понятиями  «произвольного направления времени», «вероятности, похожей на призраки», определяющей направление движения электронов. Однако введение этих понятий  не облегчает решения проблемы однонаправленности времени, а создает дополнительные трудности. Совершенно безошибочно  можно утверждать только то, что  направление течения процессов  в природе не зависит от сознания познающих субъектов, а причину  асимметричности времени еще  предстоит отыскать.

      Общей  чертой пространства и времени является единство моментов изменчивости и устойчивости их свойств.

      Бесконечность пространства складывается из конечных протяженностей отдельных материальных объектов, а времени – из конечной длительности отдельных материальных процессов. Противоречивость пространства связана с протяженностью и структурностью, противоречивость времени – с  бесконечной длительностью и  сменой моментов. Протяженность и  длительность это формы выражения  непрерывности, а структурность  и моменты – прерывности. Исследования в области микромира уже принесли большое количество научных фактов, показывающих наличие противоречивой сущности исследуемых материальных объектов (например, дуализм волны (непрерывное) и частицы (прерывное) и т.д.), находящих  свое отображение в категориях прерывного и непрерывного.

      Правильное  решение проблемы прерывности и  непрерывности возможно только на основе диалектического учения о единстве и «борьбе» качественных и количественных определенностей предметов и  явлений.

      Непрерывность – это сохранение данного качества в процессе определенного количественного изменения.

      Прерывность – это изменение качественного состояния в существовании вещей, процессов, явлений.

      Действительность  постольку прерывна, поскольку она  разнокачественна, и постольку непрерывна, поскольку она однокачественна. Она относительно устойчива и  абсолютно изменчива, что отражено в законах диалектики. Прерывность  и непрерывность находятся в  диалектическом единстве и «борьбе»; их единство относительно, а «борьба» абсолютна. Качественное изменение  – это нарушение непрерывности, порождение прерывности. Непрерывное  – это сохранение качества при  изменении количества.

      Таким образом, непрерывное превращение  форм движения материи представляет собой бесконечный ряд существования  одних количеств и качеств  и возникновения других. Каждый переход  – это скачок, прерыв определенной конкретной непрерывности. При этом прерывность выступает как момент разрешения внутренних противоречий определенного  качества, которые обусловливают  это качество и готовят его  переход в другое. Один и тот  же процесс в различных конкретных отношениях в одно и то же время имеет характер как качественных, так и количественных изменений, т.е. выступает как прерывный и непрерывный.

      Если  принять, что некоторая величина и прерывна и непрерывна, то при  этом предполагается свободный переход  от одного качественного состояния  к другому. Но бесконечное и непрерывное  деление абстрактно и нереально, так как тогда неограниченные количественные изменения не смогут вызвать качественных изменений.

      Уже в 19 веке ученые об атомах было надежно  экспериментально обосновано, были также  открыты электроны – мельчайшие частицы, носители элементарного отрицательного электрического заряда. Казалось, что  предела делимости заряда, массы  и других характеристик «элементарных» частиц в природе не существует. Только после того как М. Планк  показал, что энергия излучателя всегда является кратной от величины  (где – частота излучения, а h – новая физическая постоянная), в физику вошло представление о прерывной величине. Свет, который рассматривался как непрерывный колебательный процесс, оказался связанным с корпускулярной (прерывной) характеристикой – планковской постоянной , где E – энергия фотона – кванта света, – длина световой волны, а c – скорость света в пустоте. Анализ вышеприведенной формулы показывает, что h – есть произведение энергии на время (действие). Числовая величина h равна 6,6237*10-27^-27эрг*сек. В дальнейшем выяснилось, что представление о кванте действия (постоянной Планка h) существенно необходимо для описания движения  микрообъектов, для теории атомов и молекул. Отличие движения микрообъекта от движения макрообъекта или квантовой механики от классической (ньютоновской) механики связано с квантом действия. Если при движении микрообъекта действие (произведение энергии на время) значительно больше кванта действия, то его движение выражается законами классической механики. Если же действие мало, сравнимо с квантом действия, то движение микрочастицы характеризуется качественно новыми свойствами, а именно дуализмом волны и частицы, и это движение уже описывается законами не классической, а квантовой механики.

      В прерывных элементах имеются  однокачественные  количества –  непрерывность, но прерывность едина  с непрерывностью, так как она  является прерывностью именно данной непрерывности, т.е. имеет единую с  ней меру.

        Понятие прерывное и непрерывное связаны с понятиями абсолютное и относительное, а именно: пространство и время как всеобщие формы существования движущейся материи абсолютны, так как являются условиями ее существования, но как формы существования материи они вполне определены конкретными видами движущейся материи, т.е. прерывны, зависят от свойств движущейся материи.

      Прерывность материальных состояний вносит в  непрерывность пространства дискретность. Например, конечная протяженность предметов  создает прерывность в непрерывном  пространстве. Начало и конец процесса вносят прерывность и в непрерывный  ход времени.

      В.И.Ленин  подчеркивал важность признания  единства прерывности и непрерывности  пространства и времени для понимания  сути движения. «Движение есть единство непрерывности (времени и пространства) и прерывности (времени и пространства). Движение есть противоречие, есть единство противоречий».

      Признание того, что мир есть движущаяся материя, неизбежно означает признание объективного существования основных форм, в которых  происходит движение материи, иными  словами, означает признание объективного существования пространства и времени. Поэтому диалектико-материалистическое решение основного вопроса философии  неразрывно связано с диалектико-материалистическим взглядом на пространство и время. Отказ  от признания объективного существования  пространства и времени означает отказ от материалистического решения  основного вопроса философии. Отсюда вытекает и то, что вопрос о причинности, как о средстве  раскрытия основного  вопроса философии, также неразрывно связан со взглядами на пространство и время.

      Подводя итоги вышесказанному, необходимо подчеркнуть, что диалектико-материалистическое понимание сущности пространства и  времени и их соотношения с  материей и движением заключается в признании того, что пространство и время являются атрибутами, способом бытия движущейся материи, и этот важный методологический вывод подтверждается данными всей физики и служит отправным пунктом для обобщения новых данных, получаемых современной физикой. Нарушение этих диалектико-материалистических представлений о соотношении материи, движения, пространства и времени неизбежно приводит к идеалистическому и метафизическому  искажению проблемы. 
 

     Взаимосвязь законов сохранения со свойствами пространства и времени.

     Современная физика показывает, что к числу  наиболее общих характеристик пространства и времени относятся свойства симметрии (однородность и изотропность пространства, однородность времени).

       Однородность времени означает, что ход физических явлений в одних и тех же условиях, в различное время их наблюдения одинаков.