Развитие пространства-времени и законы сохранения

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»

РЕФЕРАТ

по предмету  «Концепции современного естествознания»

на тему: «Развитие пространства-времени и законы сохранения»

                                                                              Выполнила:

           Студентка 1 курса гр.121

           Иванова И.А.

                                                                              Проверил:

Москва 2012

Содержание.

Введение…………………………………………………………………..2

1. Пространство-время: понятия, история развития научных теорий…...3
2. Свойства пространства-времени………………………………………...6
3. Законы сохранения……………………………………………………….8

Заключение…………………………………………………………………10

Список литературы…………………………………………………………11

Введение

Основная задача современного естествознания - это создание естественно - научной картины мира, которая представляет собой упорядоченную систему, постоянно уточняемую и дополняемую. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных объектов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно связаны с изменением длин и длительностей, периодичностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Состояние любого объекта определяется выделением и фиксацией во времени части пространства. Упорядоченная последовательность состояний объекта составляет процесс его развития (жизни, существования) во времени. Философия определяет пространство и время как всеобщие формы существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее.

Представления о пространстве и времени за длительный период развития естествознания претерпели существенные изменения. 
Концепция пространства, как и концепция времени, прошли длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем.

Пространство и время  являются основными понятиями всех разделов физики. Пространство выражает порядок сосуществования физических объектов, время же выражает порядок смены физических состояний и явлений.

Важную роль в познании законов природы играют законы сохранения – физические закономерности, согласно которым численные значения определенных физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в некотором классе процессов. Идея сохранения возникла первоначально как чисто философская догадка о наличии неизменного начала в постоянно меняющемся мире. Так возникло понятие материи – несотворимой и неуничтожимой основы всего сущего.

Принимая во внимание важность и значимость понимания основных законов природы, целью данного реферата является изучение понятий и свойств пространства и времени, а также законов сохранения с точки зрения современной науки - естествознания. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

1. раскрыть понятия и описать исторические этапы развития теорий пространства-времени;
2. показать сущностные характеристики и свойства пространства и времени с позиции современного научного познания;
3. описать сущность законов сохранения и их связь со свойствами симметрии физических систем.

При решении задач использовалась научная литература и учебные пособия по современному естествознанию.

1. Пространство-время: понятия, история развития научных теорий

Пространство и время  относятся к фундаментальным  понятиям, которые философы пытались формулировать с древности. По мере накопления знаний менялись и представления  о пространстве и времени.

В своей деятельности мы обнаруживаем, что организация мира имеет особенности, связанные с  тем, что материальные объекты расположены относительно друг друга определенным образом, они могут образовывать конфигурации, граничить друг с другом, двигаться относительно друг друга. Т.е. имеют определенный набор характеристик и параметров. В физике движение рассматривается в общем виде как изменение состояния физической системы, и для описания состояния объектов вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество.

А что же такое время? Самый простой ответ таков: время – это то, что показывают часы. Принцип работы часов может быть основан на многих физических явлениях и процессах. Наиболее удобны периодические процессы, длительно повторяющиеся с высокой степенью точности, например, вращение Земли вокруг своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и т. п. Для измерения времени могут быть использованы и непериодические процессы, происходящие по известному временному закону, например, радиоактивный распад атомов или свободное падение тел в поле тяготения. В более строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления: оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах – с физической точки зрения бессмысленно.

Ньютон различал абсолютное и относительное время. В своих  фундаментальных «Математических  началах натуральной философии» он писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по 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, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...

Течение абсолютного времени  изменяться не может. Длительность или  продолжительность существования  вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет... Время и  пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего»¹.

Аналогичные соображения  Ньютон высказывал и в отношении  пространства. В процессе развития физики с появлением специальной  теории относительности возникло утверждение: абсолютное время не имеет физического  смысла, оно – лишь идеальное  математическое представление, ибо  в природе нет такого реального  физического процесса, пригодного для  измерения абсолютного времени.

Во-первых, течение времени  зависит от скорости движения системы  отсчета. При достаточно большой  скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает  релятивистское замедление времени.

Во-вторых, поле тяготения  приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Оно течет с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

Важная особенность времени  выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. В частности, длительности повторяющихся периодов хороших часов при неизменных условиях совершенно одинаковы. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его истинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов, поскольку:

1) они все же не идеальны  и характеризуются своей мерой  точности;

2) нет абсолютной уверенности  в возможности создания совершенно  одинаковых условий в природе  в разное время. 

Концепция пространства, как  и концепция времени, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе  и в первую очередь в микромире  твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления  вытекало определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Первая законченная теория пространства – геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет  назад и до сих пор считается  образцом научной теории. Геометрия  Евклида оперирует идеальными математическими  объектами, которые существуют как  бы вне времени, и в данном смысле пространство в этой геометрии –  идеальное математическое пространство. Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального  физического и Евклидова пространств.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым, существуя независимо от наличия в нем физических тел, и являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства подобного пространства определяются Евклидовой геометрией. Такое представление о пространстве до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Конечно, пустое пространство – идеальное пространство. Реальный окружающий нас мир полон материальных вещей даже в безвоздушном космическом  пространстве – его заполняют  звезды, метеоритные образования, элементарные частицы и, как полагают астрономы, невидимая, скрытая материя. Идеальность пустого пространства подтверждает и относительный характер механического движения тел. Для описания движения тела нужно указать другое в качестве тела отсчета – рассмотрение одного единственного тела в пустом пространстве бессмысленно.

Специальная теория относительности  объединила пространство и время  в единый четырехмерный континуум пространство-время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел – скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер².

2. Свойства пространства-времени

Пространство и время  имеют важные свойства. Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, то есть существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. Важным свойством пространства является его трёхмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трёх независимых величин-координат. В прямоугольной декартовой системе координат это - X, Y, Z, называемые длиной, шириной и высотой.

В отличие от пространства, в каждую точку которого можно  снова и снова возвращаться время - необратимо и одномерно. Оно течёт 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.

Необратимость времени в  макроскопических процессах находит  своё воплощение в законе возрастания энтропии. В обратимых процессах энтропия (мера внутренней неупорядоченности системы) остаётся постоянной, в необратимых - возрастает. Реальные же процессы всегда необратимы.

Пространство обладает свойством  однородности и изотропности, а время - однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность в равноправии всех направлений.

В современной науке используется понятие биологического, психологического и социального пространства и времени. Эти понятия введены в связи с особенностями проявления пространственно-временных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут быть существенно отличны.

Биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть.

Психологическое пространство и время. Психическая регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства.

Социальное пространство и время. Включает образование нескольких духовных центров человечества, внутренне родственных друг другу. Одновременно происходит сближение этих духовных центров и формирование человека такого психологического типа, который существует и в настоящее время. Вместе с тем формируются образы и идеи, с помощью которых идёт рационализация социального бытия, рождаются религиозная и философская вера. Всё это происходит в так называемое «осевое время».

Социальное пространство включает пространственную организацию  социальных объектов общества, которые  дифференцированы, разделены и определённым образом ориентированы. Его можно  характеризовать и как форму  бытия социальной материи, в которой  социальная энергия превращается в  конкретные формы жизнедеятельности  личностей и общества в целом. И в этом плане оно обладает определённой субстанциальной реальностью. Его специфическими свойствам являются протяжённость, упорядоченность, масштаб, интенсивность, насыщенность, плотность, определённая координация социальных процессов и явлений.

Социальное время - это определённый по длительности период, каким располагает любой социальный объект и общество в целом. Это - совокупное время существования и деятельности всех индивидов общества. При этом социальное время неотделимо от социального пространства, в рамках которого жизнедеятельность индивидов существует в форме различных институтов, общностей, групп и территориальных структур. Социальное время фиксирует особенности параметров времени в ретрансляции социального опыта и одновременность в протекании социальных событий.

3. Законы сохранения

Важную роль в познании законов природы играют законы сохранения – фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени.

Философские предпосылки  к открытию законов были заложены ещё античными философами, а также Декартом и М. В. Ломоносовым.

В письме к Эйлеру Ломоносов формулирует свой «всеобщий естественный закон» (5 июля 1748 года), повторяя его в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760): «...Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает»³.

К законам сохранения относятся:

закон сохранения энергии;

закон сохранения импульса;

закон сохранения момента  импульса;

закон сохранения массы;

закон сохранения электрического заряда;

закон сохранения лептонного числа;

закон сохранения барионного числа;

закон сохранения чётности.

Законы сохранения теснейшим  образом связаны со свойствами симметрии физических систем, понимаемой как инвариантность физических законов относительно определенной совокупности преобразований входящих в эти законы величин. Эту связь устанавливает фундаментальная теорема физики, сформулированная немецким математиком Эмми Нетер. Теорема Нетер дает наиболее простой и универсальный метод выведения законов сохранения в классической и квантовой механике, теории поля и других разделах физики. Смысл ее состоит в том, что каждому преобразованию в пространстве-времени, при котором уравнение движения остается инвариантным (неизменным), соответствует закон сохранения.

Известны следующие преобразования в пространстве-времени, сохраняющие  инвариантность: сдвиг во времени и в пространстве, трехмерное вращение и преобразование Лоренца.

Согласно теореме Нетер:

– из инвариантности относительно сдвига во времени следует закон  сохранения энергии;

– из инвариантности относительно пространственных сдвигов следует  закон сохранения импульса;

– из инвариантности относительно пространственного вращения следует  закон сохранения момента количества движения.

Особенно важную роль теорема Нетер играет в квантовой теории поля, где законы сохранения, следующие из определенных видов симметрии, являются ценным источником информации о свойствах изучаемых процессов.

Из инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства-времени, называемая однородностью пространства и времени.

Однородность времени  состоит в инвариантности физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Из однородности (симметрии) времени вытекает закон сохранения энергии: в изолированной физической системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее количество остается постоянным. Если система не изолирована, может происходить ее обмен энергией с окружающими телами, однако фундаментальный принцип остается неизменным: энергия не появляется и не исчезает, она лишь переходит из одного вида в другой.

Поскольку энергия по определению  есть наиболее общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, закон сохранения энергии выражает сущность неуничтожимости материи и ее движения.

Однородность пространства состоит в том, что физические свойства и законы движения замкнутой  системы тел не зависят от выбора положения для начала координат  инерциальной системы отсчета. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса: импульс изолированной системы не изменяется с течением времени.

Свойство симметрии пространства проявляется не только в его однородности, но также и в изотропности. Изотропность пространства состоит в инвариантности физических законов относительно выбора направления осей координат системы  отсчета, т. е. поворота физической системы  на произвольный пространственный угол. Мерой вращательного движения материальной точки или системы является момент импульса (момент количества движения), который может определяться относительно центра (точки) и относительно оси. Из изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса: момент импульса изолированной системы не изменяется с течением времени.

Приведенные законы сохранения носят универсальный характер и  представляют собой фундаментальные  законы природы. Тем не менее, с развитием  науки взгляды на эти законы и  на симметрию пространства-времени  будут уточняться и даже пересматриваться. Например, долгое время считалось установленным фактом наличие у пространства зеркальной симметрии, т. е. инвариантности относительно пространственной инверсии. Однако экспериментальное обнаружение несохранения четности в слабом взаимодействии привело к пересмотру взглядов на геометрические свойства мира.

Некоторые из законов сохранения выполняются всегда и при всех условиях (например, законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, массы, электрического заряда), или, во всяком случае, никогда не наблюдались процессы, противоречащие этим законам. Другие законы являются лишь приближёнными и выполняющимися при определённых условиях (например, закон сохранения чётности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействия, но нарушается в слабом взаимодействии).

Заключение

Время и пространство всегда интересовали человека. Вселенная эволюционирует, процессы изменения материи происходили в прошлом, происходят сейчас и будут происходить в будущем. Человечество на протяжении всей своей сознательной истории задумалось над процессами во вселенной, проблемами пространства и времени.

Появление теории относительности  заложило основу современного научного представления о мире. Многие положения теории были подтверждены опытными данными, тем не менее, вопрос познания пространства и времени, их природы, взаимосвязи и даже наличия во многом остается открытым.

Прошло более 2500 лет с той  поры, как было положено начало осмыслению времени и пространства, тем не менее, и интерес к проблеме и  споры философов, физиков и представителей других наук вокруг определения природы  пространства и времени нисколько  не снижаются. Значительный интерес  к проблеме пространства и времени  естественен и закономерен, влияния  данных факторов на все аспекты деятельности человека нельзя переоценить. Понятие  пространства - времени является важнейшим  и самым загадочным свойством  Природы или, по крайней мере, человеческой природы. Представление о пространстве времени подавляет наше воображение.

Казалось бы, пространство и время представляют собой формы, выражающие определенные способы координации материальных объектов и их состояний, содержанием этих форм является движущаяся материя, материальные процессы, и именно особенности и характер последних должны определять их основные свойства. В то же время актуально современное представление о пространстве и времени А. Эйнштейна: «Пространство и время являются способом, которым мы мыслим, а не условиями, в которых мы живем»⁴, в этом высказывании отражена вся  противоречивость и нерешенность проблемы.

Решающее значение пространства-времени  получает все возрастающее понимание. Как ученые, так и практики осознают, что почти любой физический процесс и действия человека имеют свою географию, а также историю. На каком-то уровне банально звучит утверждение, что все существует в пространстве и времени, но на более содержательном уровне этот постулат превращается в остро осязаемое ощущение «временной пространственности», которая раскрываясь, наиболее полно освящает взятую тему.

Симметрия, проявляясь в  самых различных объектах материального  мира, несомненно, отражает наиболее общие, наиболее фундаментальные его свойства. Поэтому исследование симметрии  разнообразных природных объектов и сопоставление его результатов  является удобным и надежным инструментом познания основных закономерностей  существования материи.

Можно надеяться, что на основе биологических законов сохранения, разнообразных инвариантов, симметрии  законов живой природы относительно тех или иных преобразований рано или поздно удастся глубже проникнуть в сущность живого, объяснить ход  эволюции, её вершины, тупики, предсказать неизвестные сейчас ветви, теоретически возможные и действительные числа типов, классов, семейств всего живого в этом мире.

Список литературы

1. Антропова В. И. О геометрическом методе «Математических начал натуральной философии» И. Ньютона // Историко-математические исследования. — М.: Наука, 1966. — № 17.
2. Карпенков С.Н. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М., 2002.
3. Клименко И. С., Энгвер Н. Н. Концепции современного естествознания. – М., 2002.
4. Ломоносов М.В. Избранные произведения в 2-х томах. - М.: Наука. 1986.
5. Салопов Е. Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос, 1998.
6. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I. Работы по теории относительности 1905-1920. - М., 1965 г.

¹ Антропова В. И. О геометрическом методе «Математических начал натуральной философии» И. Ньютона // Историко-математические исследования. — М.: Наука, 1966. — № 17.

² Карпенков С.Н. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М., 2002.

³ Ломоносов М.В. Избранные произведения в 2-х томах. - М.: Наука. 1986.

⁴ Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I. Работы по теории относительности 1905-1920. - М., 1965 г.