Развитие представлений о пространстве и времени. 2

РЕФЕРАТ 

по дисциплине «Естествознание» 

по теме: «Развитие  представлений о пространстве и  времени» 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 3

1. Пространство-время  до Эйнштейна 4

1.1 Доньютоновский  период 4

1.2 Постньютоновский  период 6

2. Постулаты Эйнштейна  9

3. Ультрасовременные  взгляды на пространство-время  13

Заключение 18

Список литературы 20 

ВВЕДЕНИЕ 
 

Пространство и  время как всеобщие и необходимые  формы бытия материи являются фундаментальными категориями в  современной физике и других науках. Большинство физических понятий  вводятся посредством операциональных  правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В тоже время пространство и время относятся  к фундаментальным понятиям культуры.  

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. 

Актуальность работы объясняется новыми веяниями в науке, новыми гипотезами и теориями о структуре  пространства-времени. 

Мы все привыкли к тому, что прошлого не вернуть, хотя порой очень хочется. Писатели-фантасты уже более века живописуют разного  рода казусы, возникающие благодаря  возможности путешествовать во времени  и влиять на ход истории. Эта тема оказалась настолько животрепещущей, что в конце прошлого века даже далекие от сказок физики всерьез  занялись поисками таких решений  уравнений, описывающих наш мир, которые позволяли бы создавать  машины времени и в мгновение  ока преодолевать любые пространства и времена. Тоннели в пространстве, вполне серьезно, как гипотетически  возможные, активно обсуждаются  в статьях по теоретической физике, на страницах самых солидных научных  изданий. Все эти гипотезы имеют  вполне реальное научное обоснование. 

Прежде, чем рассмотреть  новейшие взгляды на пространство-время  в работе, мы изучим эволюцию представлений  о пространстве и времени. 

1. ПРОСТРАНСТВО - ВРЕМЯ  ДО ЭЙНШТЕЙНА 
 

1.1 Доньютоновский  период 
 

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. 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. В материалистической картине  мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического  использования объектов, их объема и протяженности. 

Понятие времени  возникло на основе восприятия человеком  смены событий, последовательной смены  состояний предметов и круговорота  различных процессов. 

Большое влияние  на формирование понятий пространства и времени как научных категорий  сыграла пифагорейская школа. Пифагорейцы  первыми осознали трехмерность пространства, в котором мы живём. 

Платон, развивая учение пифагорейцев о математическом начале мира, впервые в античной науке  вводит понятие геометрического  пространства. До Платона в античной науке пространство не рассматривалось  как самостоятельная категория, отдельно от его наполнения. Платон же помещает между идеями и чувственным  миром геометрическое пространство, рассматривая его как нечто среднее, «промежуточное» между ними. Философия  Платона так же использует представления  о трехмерности пространства. 

Платоново-пифагорейская  научно-исследовательская программа  была развита в эллинистический  период в работах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и Евклида. Наряду с понятием пространства в Древней  Греции были выработаны такие понятия  как пустота и эфир. В главном  труде Евклида - «Началах» излагаются основные свойства пространства и пространственных фигур. В современной науке широко используется понятие евклидового  пространства как плоского пространства трех измерений. Понятию времени  в рассматриваемых школах приписывалось  равномерность и неизменность течения. 

В целом же в доньютоновский период развитие представлений о  пространстве и времени носило преимущественно  стихийный и противоречивый характер. 

Коренное изменение  пространственной и всей физической картины мира произошло с появлением гелиоцентрической системы, развитой Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие  этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция  единого однородного пространства и равномерности течения времени  обрела реальный эмпирический базис. 

Огромное влияние  на развитие представлений о пространстве и времени сыграла революция  в механике, связанная с именем Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в дальнейшем прогрессивном развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики - принцип относительности  Галилея. Согласно этому принципу все  физические (механические) явления  происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. 

Развитие представлений  о пространстве и времени в  доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики. 

1.2 Постньютоновский  период 
 

Представления о  пространстве и времени как о  внешних условиях бытия, в которые  помещена материя, позволили 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 типа этих понятий абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую  типологическую характеристику. 

· абсолютное, истинное, математическое время само по себе и своей сущности без всякого  отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе  называется длительностью; 

· относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или  точная, или изменчивая, постигаемая  чувствами внешняя мера, употребляемая  в обыденной жизни вместо истинного  математического времени, как то час, день, месяц, год; 

· абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно  к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным; 

· относительное  пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая  определяется нашими чувствами по положению  его относительно некоторых тел  и которое в обыденной жизни  принимается за пространство неподвижное. 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. Эта  т.н. концепция «черного ящика». 

Этот взгляд близок к субстанциональному пониманию  пространства и времени, хотя у Ньютона  они и не являются настоящими субстанциями, как материя они обладают лишь одним признаком субстанции абсолютной самостоятельностью существования  и независимостью от любых конкретных процессов, но они не обладают другим важнейшим качеством субстанции - способностью порождать различные  тела, сохраняться в их основе при  всех изменениях тел. Такую способность, Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как  совокупность атомов. 

Материя - тоже вторичная  субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время, и привел их в движение. Бог, являясь существом  внепространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором  все изменчиво и преходяще. Он вечен в своем бесконечном  совершенстве и всемогуществе и  является подлинной сущностью всякого  бытия. К нему не применима категория  времени. Бог существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную  мудрость и могущество, он создает  мир из ничего, творит материю, а  вместе с ней пространство и время  как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его  существование прекратится, а вместе с миром исчезнут пространство и  время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная  вездесущность. Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном, Аврелием Августином, Фомой Аквинским и  их последователями, Ньютон также разделял эти взгляды. 

Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования  тел, а время - как порядок отношения  и последовательность событий. Это  понимание составило сущность реляционной  концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию  как абсолютных и не зависящих  ни от чего реальностей, подвластных  только Богу. 

Есть концепции (Беркли, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость  от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать  их одно подле другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии  Евклида в течение двух тысячелетий. 

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 провидению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана  с пониманием пространства как протяженности  вещества и эфира, в котором свет распространялся 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 в., 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 давшей ей естественнонаучное обоснование. 

2. ПОСТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА 
 

Исходным пунктом  этой теории, стал принцип относительности. Классический принцип относительности  был сформулирован еще Галилеем: во всех инерциальных системах отсчета  движение тел происходит по одинаковым законам. Инерциальными называются системы отсчета, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. 

Современный релятивистский подход к описанию природных явлений  базируется на двух постулатах Эйнштейна. 

Первый, является естественным обобщением принципа относительности  Галилея с механических на все  без исключения явления природы, и может быть сформулирован как  утверждение о невозможности  наблюдателю, находящемуся в замкнутой  системе отсчета, при помощи какого-либо физического (а значит и любого другого) опыта установить, покоится ли его  система отсчета или находится  в состоянии равномерного прямолинейного движения. 

Вторым постулатом Эйнштейна является утверждение  о постоянстве скорости света, неоднократно проверявшееся Майкельсоном, и впоследствии в более точных экспериментах. 

На основе сформулированных постулатов Эйнштейна пересматриваются все основные положения классической кинематики и делаются основные выводы релятивистской кинематики. Делается вывод о том, что понятия одновременности  событий, длительности временного промежутка и длины отрезка перестают  носить абсолютный характер, становясь  зависимыми от выбора системы отсчета, из которой ведется наблюдение. 

Предсказываемый релятивистской теорией эффект замедления времени  состоит в том, что с точки  зрения движущегося относительно рассматриваемой  системы наблюдателя все интервалы  времени, характеризующие процессы в этой системе (колебания маятников  часов, распад нестабильных частиц, старение биологических организмов и т.д.) увеличиваются по сравнению с интервалами, наблюдаемыми в самой этой системе. Для находящихся же в самой рассматриваемой системе наблюдателей происходящие в ней процессы протекают совершенно нормально, а время у движущегося наблюдателя «течет замедленно». 

Эффект сокращения расстояний состоит в уменьшении длин отрезков с точки зрения наблюдателей, перемещающихся вдоль этих отрезков (отрезки, ориентированные перпендикулярно  скорости относительного движения сохраняют  свою длину неизменной). 

Описанные эффекты  проявляются лишь при скоростях, сравнимых со скоростью света  и в настоящее время экспериментально зарегистрированы в пучках ультарелятивискских  частиц, создаваемых на современных  ускорителях. Например, короткоживущие частицы (время жизни 0), двигаясь с  околосветовыми скоростями, вопреки  классическим представлениям достигают  приемника, удаленного на расстояние, значительно превышающее l = c(0). С  точки зрения неподвижного наблюдателя  это явление можно объяснить  эффектом замедления времени, «удлиняющим» жизнь частицы, с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с  частицей - эффектом сокращения расстояния до мишени, «летящей ему навстречу». Подобные процессы замедления хода времени  в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в  измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения  с ядрами атомов на Земле. Указанные  явления есть важнейшая экспериментальная  база. 

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 тела к  скорости света а вакууме (300000 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 часы 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 измерить. 

Эксперимент, лежащий  в основе специальной теории относительности: со спутника испускается луч света  по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со, скоростью света. Какова скорость распространения света относительно Земли? Она остаётся такой же. Даже если свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном направлении, то и тогда относительно Земли скорость света не изменится. Это - иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. 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. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, не нужно указывать систему отсчета. 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 звезды по космическим меркам - 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 при таком же расстоянии не будет Солнца. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. 
 

3. УЛЬТРАСОВРЕМЕННЫЕ  ВЗГЛЯДЫ НА ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ 
 

В настоящее время  в научном мире общепринята теория самоорганизации пространства-времени, т.н. теория «суперструн». Рассмотрим вкратце  процесс самоорганизации пространства-времени  в связи с самоорганизацией Вселенной, ведущей к эволюции физических объектов. Изначально существовал неметрический  вакуум. Большой взрыв привел к  эволюции вакуума, достигшего, в конце  концов, метрической определенности, характеризующейся суперструнным  вакуумным пространством-временем, затем возникло 10-мерное квантованное суперструнное поле и соответствующее  ему суперструнное пространство-время. С акта самоорганизации суперструнного поля до развертывания его четырех  измерений имело место суперструнное  пространство-время. При последующем  расширении Вселенной 4 измерения увеличились, 6 измерений пространства остались компактифицированными. С возникновением частиц и образованием гравитационного  поля процесс самоорганизации привел к классическому гравитационному  пространству-времени. Последнее приобрело  фундаментальное значение, ибо все  эволюционирующие процессы внутри Вселенной  можно рассматривать как происходящие на его фоне. Кривизна гравитационного  пространства-времени уменьшалась  с увеличением радиуса Вселенной, при некотором радиусе (в малых  областях) пространство-время можно  считать плоским. 

Однако, согласно эйнштейновской теории тяготения - общей теории относительности (ОТО), четырехмерное пространство-время, в котором мы живем всё-таки искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя  «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и - чем она плотнее, тем сильнее искривление. Многочисленные альтернативные теории тяготения, счет которым идет на сотни, отличаясь  от ОТО в деталях, сохраняют главное - идею кривизны пространства-времени. 

Мысли о столь  сильном искривлении нашего пространства-времени  возникли сразу после появления  ОТО - уже в 1916 г., австрийский физик  Л. Фламм обсуждал возможность существования  пространственной геометрии в виде некой норы, соединяющей два мира. 

В 1935 г. А. Эйнштейн и  математик Н. Розен обратили внимание на то, что простейшие решения уравнений  ОТО, описывающие изолированные, нейтральные  или электрически заряженные источники  гравитационного поля, имеют пространственную структуру «моста», почти гладким  образом соединяющего две вселенные - два одинаковых, почти плоских, пространства-времени. 

Такого рода пространственные структуры позднее получили название «кротовые норы». Черные дыры и кротовые норы, весьма интересные микрообъекты, возникающие сами собой, как квантовые  флуктуации гравитационного поля (на длинах порядка 10-33 см), где, по существующим оценкам, понятие классического, гладкого пространства-времени уже неприменимо. На таких масштабах должно существовать что-то похожее на водяную или  мыльную пену в бурном потоке, постоянно  «дышащую» за счет образования и  схлопывания мелких пузырьков. Вместо спокойного пустого пространства мы имеем возникающие и исчезающие в бешеном темпе мини-черные дыры и кротовые норы самых причудливых  и переплетающихся конфигураций. Их размеры невообразимо малы - они  во столько же раз меньше атомного ядра, во сколько это ядро меньше планеты Земля. Строгого описания пространственно-временной  пены пока нет, так как еще не создана  последовательная квантовая теория гравитации, но в общих чертах описанная  картина следует из основных принципов  физической теории и вряд ли изменится. 

Эйнштейн и Розен  рассматривали возможность применения таких «мостов» для описания элементарных частиц. Приводилось следующее доказательство: частица - чисто пространственное образование, поэтому нет необходимости специально моделировать источник массы или  заряда, а при микроскопических размерах кротовой норы внешний, удаленный наблюдатель, находящийся в одном из пространств, видит лишь точечный источник с определенными  массой и зарядом. Электрические  силовые линии входят в нору с  одной стороны и выходят с  другой, нигде не начинаясь и не заканчиваясь. По выражению американского  физика Дж. Уилера, получается «масса без  массы, заряд без заряда». В этом случае вовсе не обязательно полагать, что мост соединяет две разные вселенные - ничуть не хуже предположение, что оба «устья» кротовой норы выходят в одну и ту же вселенную, но в разных ее точках и в разные времена. 

При всей привлекательности  такой картины она (по многим причинам) не прижилась в физике элементарных частиц. «Мостам» Эйнштейна-Розена трудно приписать квантовые свойства, а  без них в микромире трудно вести рассчёты. При известных  значениях масс и зарядов частиц (электронов или протонов) мост Эйнштейна-Розена вообще не образуется, вместо этого  «электрическое» решение предсказывает  так называемую «голую» сингулярность - точку, в которой кривизна пространства и электрическое поле становятся бесконечными. Понятие пространства-времени, пусть даже искривленного, в таких  точках теряет смысл, поскольку решать уравнения с бесконечными слагаемыми невозможно. По современным понятиям, то, что Эйнштейн и Розен рассматривали как горловину кротовой норы (то есть самое узкое место «моста»), на самом деле есть не что иное, как горизонт событий черной дыры (нейтральной или заряженной). Более того, с разных сторон «моста» частицы или лучи попадают на разные «участки» горизонта, а между, условно говоря, правой и левой частями горизонта находится особая нестатическая область, не преодолев которую нельзя пройти нору. 

Для удаленного наблюдателя  космический корабль, приближающийся к горизонту достаточно крупной (по сравнению с кораблем) черной дыры, как бы навеки застывает, а  сигналы от него доходят все реже и реже. Напротив, по корабельным  часам горизонт достигается за конечное время. Миновав горизонт, корабль (частица  или луч света) вскоре неотвратимо  упирается в сингyлярность - туда, где кривизна становится бесконечной  и где (еще на подходе) любое протяженное  тело будет неизбежно раздавлено и разорвано. Такова суровая реальность внутреннего устройства черной дыры. Решения Шварцшильда и Райснера-Нордстрема, описывающие сферически-симметричные нейтральные и электрически заряженные черные дыры, были получены в 1916-1917 г., однако в непростой геометрии этих пространств  физики полностью разобрались лишь на рубеже 1950-1960-х гг. 

Джон Арчибальд  Уилер, известный своими работами в  ядерной физике и теории гравитации, предложил термины «черная дыра»  и «кротовая нора». Как оказалось, в пространствах Шварцшильда  и Райснера-Нордстрема кротовые норы действительно есть. С точки зрения удаленного наблюдателя, они не видны  полностью, как и сами черные дыры, и - так же вечны. А вот для путешественника, отважившегося проникнуть за горизонт, нора настолько быстро схлопывается, что сквозь нее не пролетит ни корабль, ни массивная частица, ни даже луч  света. Чтобы, минуя сингулярность, прорваться к другому устью норы, необходимо двигаться быстрее света. А физики сегодня полагают, что  сверхсветовые скорости перемещения  материи и энергии невозможны в принципе. 

Вопросы устойчивости кротовых нор и управления их конфигурацией  пока не совсем ясны, поэтому вполне возможно, что для поддержания  нормального функционирования пространственно-временных  тоннелей понадобится специальное  оборудование и немалое количество энергии. Всё же сегодня, несмотря на кажущуюся фантастичность идеи о  «машине времени» многие учёные всерьёз  разрабатывают эту проблему. По мнению учёных разрабатывающих теории кротовых нор, ныряя в кротовую нору, можно  не только попасть в другую вселенную, но и вернуться во времени назад. 

Если кротовые норы все-таки обнаружат (или построят), перед  той областью философии, что занимается интерпретацией науки, встанут новые  и, надо сказать, очень непростые  задачи. И при всей кажущейся абсурдности  временных петель и сложности  проблем, связанных с причинностью, эта область науки, по всей вероятности, рано или поздно со всем этим как-нибудь разберется. Так же, как в свое время «справилась» с концептуальными  проблемами квантовой механики и  теории относительности Эйнштейна. 

Реальные астрономические  наблюдения последних лет, похоже, сильно подрывают позиции противников  возможности самого существования  кротовых нор. Астрофизики, изучая статистику взрывов сверхновых в галактиках, удаленных от нас на миллиарды  световых лет, сделали вывод, что  наша Вселенная не просто расширяется, а разлетается со все большей  скоростью, то есть с ускорением. Более  того, со временем это ускорение  даже нарастает. О6 этом достаточно уверенно говорят самые последние наблюдения, проведенные на новейших космических  телескопах. 

Другой вид кротовых нор - тонкие сингyлярные кольца напоминают другие необычные объекты, предсказываемые  современной физикой - космические  струны, образовывавшиеся (согласно некоторым  теориям) в ранней Вселенной при  остывании сверхплотного вещества и смене его состояний. Они  действительно напоминают струны, только необычайно тяжелые - многие миллиарды  тонн на сантиметр длины при толщине  в доли микрона. И, как было показано американцем Ричардом Готтом и французом  Жераром Клеманом, из нескольких струн, движущихся друг относительно друга  с большими скоростями, можно составить  конструкции, содержащие временные  петли. То есть, двигаясь определенным образом в гравитационном поле этих струн, можно вернуться в исходную точку раньше, чем из нее вылетел. 

Астрономы давно  ищут такого рода космические объекты, и на сегодня один «хороший» кандидат уже имеется - объект CSL-1. Это две  удивительно похожие галактики, которые в реальности наверняка  являются одной, только раздвоившейся  из-за эффекта гравитационного линзирования. Причем в данном случае гравитационная линза - не сферическая, а цилиндрическая, напоминающая длинную тонкую тяжелую  нить.