Какие свойства пространства и времени положены в основу классической физики
Понятия пространства и времени, выработанные в классической физике, являются результатом теоретического анализа механического движения.
В главной работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии», изданной в 1687 г., были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства и времени. Понятия «пространство» и «время» были определены И. Ньютоном в строгом соответствии с той методологической установкой, которая была принята формирующейся опытной наукой Нового времени, а именно, познание сущности (законов природы) через явления. Он писал: «Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятия обыкновенно относят к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные»[1]. Ныотон четко различал два типа времени и пространства — абсолютное и относительное, и дал им следующие определения.
- • Абсолютное, истинноеу математическое время само по себе и но 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 продолжительности, 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[2].
Чем вызвано это различение?
Прежде всего, оно связано с особенностями теоретического и эмпирического уровней познания пространства и времени.
На теоретическом уровне пространство и время представляют собой идеализированные объекты, у которых выделяется только одна характеристика: для времени – быть «чистой длительностью», а для пространства — быть «чистой протяженностью».
На эмпирическом уровне пространство и время предстают как относительные, т.е. связанные с конкретными физическими процессами и их восприятием на уровне чувств.
Таким образом, и для времени, и для пространства термин «относительный» использовался в смысле «измеряемая величина» (постигаемая нашими чувствами), а «абсолютный» — в смысле «математическая модель».
Почему Ньютон ввел разграничение теоретического и эмпирического смысла этих понятий?
Соотношение между понятиями абсолютного и относительного времени и необходимость в них ясно видна из следующего пояснения. Время, как известно, можно измерить при помощи равномерного периодического процесса. Однако, откуда мы знаем, что процессы равномерны? Очевидны логические трудности в определении подобных первичных понятий.
Другая трудность связана с тем, что два одинаково равномерных на данном уровне точности процесса могут оказаться относительно неравномерными при более точном измерении. И мы постоянно оказываемся перед необходимостью выбора все более надежного эталона равномерности хода времени.
Абсолютное время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные сутки, принимаемые при обыденном измерении времени как равные, на самом деле между собой неравны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может.
Таким образом, относительное время Ньютона есть время измеряемое, тогда как время абсолютное есть его математическая модель со свойствами, выводимыми из относительного времени при помощи абстрагирования.
Перейдем к понятию абсолютного пространства.
Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г. Галилеем и окончательно сформулированный в механике Ньютоном.
Галилей обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. Во времена Галилея люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом: для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует, и проявляет свое действие только на вещах, не принимающих в нем участия.
Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона, который дал научную формулировку принципа относительности: относительные движения тел друг по отношению к другу, заключенные в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.
Другими словами, согласно принципу относительности Галилея, законы механики инвариантны, т.е. остаются неизменными при тех или иных преобразованиях относительно инерциальных систем отсчета. Переход от одной инерциальной системы отсчета к другой осуществляется на основе так называемых преобразований Галилея: где х, у и г означают координаты тела, v — скорость, a t — время.
Смысл принципа относительности заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.
В период создания механики перед Ньютоном неизбежно вставал вопрос: а существуют ли вообще инерциальные системы? Если существует хотя бы одна такая система, то может существовать бесчисленное их множество, ибо любая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной, тоже будет инерциальной. Совершенно очевидно, что в природе инерциальных систем отсчета нет. На Земле с достаточной степенью точности соблюдается принцип инерции, и тем нс менее Земля — система неинерциальная: она вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Не может быть инерциальной и система, связанная с Солнцем, ибо Солнце вращается вокруг центра Галактики. Но если ни одна реальная система отсчета не является строго инерциальной, то не оказываются ли фикцией основные законы механики?
Поиски ответа на этот вопрос привели к понятию абсолютного пространства. Оно представлялось совершенно неподвижным, а связанная с ним система отсчета — инерциальной. Предполагалось, что по отношению к абсолютному пространству законы механики выполняются строгим образом.
В преобразованиях Галилея отражены основные свойства пространства и времени, как они понимались в классической механике.
Каковы же эти свойства?
1. Пространство и время существуют как самостоятельные сущности, не связанные друг с другом.
Пространственные и временные координаты входят в уравнения неравноправным образом. Пространственная координата в движущейся системе зависит и от пространственной, и от временной координаты в неподвижной системе (х?-х – vt). Временная же координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными координатами (t’ – t). Таким образом, время мыслится как нечто совершенно самостоятельное по отношению к пространству.
2. Абсолютность пространства и времени, т.е. абсолютный характер длины и временных интервалов, а также абсолютный характер одновременности событий.
Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и расстояние между двумя событиями во времени (промежуток). В преобразованиях Галилея зафиксирован абсолютный характер длины и промежутка. В отношении временного промежутка это непосредственно видно из уравнения t’ = t. Время не зависит от системы отсчета, оно одно и то же во всех системах, везде и всюду течет совершенно равномерно и одинаково.
Таким образом, во всех инерциальных системах отсчета равномерно течет единое непрерывное абсолютное время и осуществляется абсолютный синхронизм (т.е. одновременность событий не зависит от системы отсчета, она абсолютна), основой которого могли выступать лишь дальнодей- ствующие мгновенные силы — эта роль в системе Ньютона отводилась тяготению (закон всемирного тяготения). Однако статус дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субсташшальной природой пространства и времени в рамках механистической картины мира.
В классической механике Ньютона пространство вводится посредством евклидовой трехмерной геометрии. В силу этого оно непрерывно, упорядоченно, трехмерно, бесконечно, безгранично — это трехмерный континуум точек.
Ньютоновская концепция пространства и времени и принцип относительности Галилея, на основе которых строилась физическая картина мира, господствовали вплоть до конца XIX в.
Источник
Свойства пространства и времени
Естественнонаучная картина мира – синтез философских идей и идей естественных наук. Физическая картина мира (ФКМ) – обобщённая модель природы в целом, включающая в себя представления физической науки о материи, движении, пространстве, времени, причинности, закономерности. ФКМ является составляющей естественнонаучной картины мира.
Содержание ФКМ меняется в ходе развития науки. Все природные процессы и явления происходят в пространстве и во времени, Формулировки физических законов во многом определяются представлениями о пространстве и времени.
Классическая физика основывается на следующих свойствах пространства и времени.
1. Трёхмерность пространства и одномерность времени
Чтобы однозначно определить положение точки, необходимо знать ее три независимые координаты. Для определения момента времени необходимы не три величины, а одна – промежуток времени от начального момента.
2. Обратимость пространства и необратимость времени
В любую точку пространства можно попасть сколько угодно раз. Время необратимо. Оно течёт от прошлого через настоящее к будущему.
3. Однородность пространства и времени.
Физическое явление, осуществленное в какой-нибудь момент времени, может быть в точности воспроизведено (если сохранить все условия протекания) в любой последующий момент времени, т.е. ход времени сам по себе не влияет на протекание явления.
Протекание физических явлений в одних и тех же условиях, но в различных местах пространства одинаково; все точки пространства физически равноправны.
4. Изотропность пространства.
В пространстве равноправны не только все точки, но и все направления. Ни одно направление не имеет каких-либо преимуществ по сравнению с другими. Чего нельзя сказать о времени, так как направление времени от прошлого к будущему неравноценно обратному.
5. Плоский, евклидовый характер пространства.
Свойства пространства описываются геометрией Евклида, соотношения которой наглядно интерпретируются на плоскости.
Изменение преставления о категориях пространства и времени в ХХ веке.
В 1905 году А. Эйнштейн разработал новую, по сравнению с классической, концепцию пространства, времени, движения. В основу созданной им специальной теории относительности положены два постулата:
1) Принцип относительности: все инерциальные системы отсчёта (ИСО) физически равноправны – любые физические процессы протекают в них одинаково (при одних и тех же начальных условиях)
2) Принцип постоянства скорости света: совокупность всех инерциальных систем отсчёта характеризуется абсолютной конечной и постоянной величиной с размерностью скорости, обозначенной символом с. Иными словами, скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех ИСО.
Абсолютного времени нет. Время рассматривается во взаимосвязи с пространством. Каждая система отсчёта характеризуется своим собственным временем τ0 – собственное время частицы в системе отсчёта, где эта частица покоится. Длина тела в собственной системе отсчёта (где тело покоится) – l0.
При переходе из одной ИСО в другую пользуются формулами, устанавливающими соотношения между промежутками времени, длинами, скоростями, характеристиками электромагнитного поля в соответствующих системах отсчёта. Основополагающим фактором при этом является – относительная скорость движения инерциальных систем отсчёта друг относительно друга.
Релятивистский закон преобразования скорости: .
Длительность событий в разных ИСО: .
Длина тел в разных системах отсчёта: .
При скоростях малых, по сравнению со скоростью света, представленные формулы переходят в законы классической механики. Чем ближе скорость υ к скорости света, тем больше отличие величин в разных ИСО.
Вводится величина, независящая от выбора ИСО. Она называется пространственно – временной интервал: .
Раздел физики, рассматривающий движение частиц со скоростями, сравнимыми со скоростью света называется релятивисткой физикой.
В релятивистской механике энергия импульс и скорость свободной частицы связаны соотношениями:
E = m 0 c2 ; =m 0; =E / c 2 . .
При υ = c и m 0 выражения для р и Е обращаются в бесконечность. Частица с нулевой массой может двигаться только со скоростью меньшей с.
Закон взаимосвязи массы и энергии: E = mc2 – фундаментальный закон природы.
Общая теория относительности является следующим шагом (по сравнению со специальной теорией относительности), сделанным Эйнштейном в рассмотрении проблем, связанных с пространством и временем.
В ходе мысленных экспериментов Эйнштейн пришёл к выводу об эквивалентности гравитационных сил и сил инерции. С точки зрения общей теории относительности движение тела в поле тяготения можно рассматривать как движение по инерции вдоль искривлённых линий пространства. Структура пространства и его кривизна определяются массой. Искривление пространства тем сильнее, чем больше вызывающая это искривление масса. Таким образом, свойства пространства и времени находятся в тесной связи с материей.
Принцип эквивалентности Эйнштейна: все физические явления в поле тяготения происходят совершенно так же, как и в соответствующем поле сил инерции. Если напряжённости обоих полей в соответствующих точках пространства совпадают. А прочие начальные условия для рассматриваемых тел одинаковы.
Читайте также:
Рекомендуемые страницы:
©2015-2020 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-07
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных
Источник
Продолжение. Начало в О чем спорят физики? Виды механик и свойства их пространств.
Разные дисциплины дают различные определения пространства. Самое простое и в то же время понятное определение называет пространством место, в котором что-либо вмещается, а также расстояние между предметами.
Пространство в математике – это множество некоторых математических, то есть абстрактных, объектов с правилами работы с ними и набором аксиом, которым эти правила должны подчиняться. Понятие “пространство” в математике обычно используется с уточняющим его прилагательным словом.
Пространство в физике (или пространство-время) точного определения до сих пор не имеет. Некоторые вообще считают, что ни пространства, ни времени не существует. Все это выдумки ученых. Но т.к. физика строит свои физические модели используя математику, то и определение “пространства” в ней должно совпадать с математическим. Чаще всего под “физическим пространством”, точнее, ее моделью, подразумеваются евклидовы, римановы, абелевы и другие топологическое метрическое пространства.
Пространство в философии – это фундаментальное (наряду с временем) понятие человеческого мышления. Но соответствует ли этому понятию нечто реально существующее (субстанция) философы не знают.
Классическая механика в качестве математической модели физического пространства использует 3-мерно евклидово пространство. Обратите внимание – в качестве модели. Это пространство имеет три независимых направления. Это, например, ширина, высота и глубина. И, конечно, обратные к ним направления. Является ли это евклидово пространство реальным физическим пространством? Конечно, нет, но на нее хорошо ложатся наши представления о реальном физическом пространстве.
Кроме 3-мерного пространства, в модели физического пространства рассматривается еще одно пространство – время. Считается, что в ней всего одна степень свободы, или одно направление. Вперед в будущее. Обратное направление – назад, в прошлое. Неужели это все? А где здесь то, что существует? В конце концов мы с ами, homo sapiens? Да, с пространством в классической механике это все.
Но не все с физическим пространством. Описание физической реальности на этом не заканчивается. Здесь проявляется то самое, физическое. То самое, что изучает и старается объяснить физика. Кроме пространства, как мы все догадываемся, еще имеется материя. А пространство – всего лишь вместилище для нее. Кстати, в Общей теории относительности Эйнштейна и материя тоже описывается как свойство пространства.
Но в классической механике материя и пространство-время разделены – материя описывается через материальные функции. Опять математика! Никуда от нее не деться. Многим в интернет-форумах так не нравится математика да и физика с ее абстрактными математизированными теориями тоже. Они считают, что все это выдумки ученых,”заговор” с целью “одурманить” народ, и т.д. и т.п. …
Если роль пространства в физике – “вместить” материю, то роль времени в физических моделях – динамическая. А динамика – это изменение. Последовательное изменение состояния материи во времени. И закономерное, а не произвольное. В этом смысл существования. Здесь появляются координаты, скорости, ускорения, силы. А также “материальные точки” с массами, “сплошные среды” с плотностью, физические “силовые поля” с напряженностями и т.д.
Адрес картинки: https://900igr.net/up/datas/180610/013.jpg
Есть два способа описать материю и пространство-время.
Первое – через понятие “материальная точка” и “системы материальных точек”. В этом случае в качестве вмещаемой в пространство материи выступает “материальная точка” с определенной массой ( зарядом, …)., а описание ее состояния во времени, т.е. “динамика”, осуществляется через задание ее координат во времени:
r ⁱ -> r ⁱ (t).(1)
Как вы, надеюсь, догадались, r ⁱ – это координаты, t – это время. Все в школе изучали алгебру, и эта форма записи должна быть понятна. В математической модели конкретные обозначения координат могут быть разными. Например, как множество {x, y, z}, а можно и так: {r¹, r², r³} и расписывать формулу (1) по всем трем координатам, можно в экономной индексной форме – как я записал выше. В четырехмерных физических теориях координате “время” могут присвоить индекс “0”, а само множество координат обозначить как q ⁱ – {q⁰, q¹, q², q³}, что эквивалентно записям {t, x, y, z} или {t, r¹, r², r³}.
Вторая форма предполагает, что в каждой точке пространства существует вещество с определенной плотностью r(r). А описание в динамике предполагает, что плотность меняется во времени:
r(r) -> r(r, t).(2)
Здесь мы подошли непосредственно к первой цели статьи – описанию самого пространства, его свойств. Думаю, многие согласятся, что различные пространства отличаются друг от друга своими свойствами. Кто не согласен, приведу очевидное свойство пространств – ее размерность.
Галилеево пространство
Так вот, пространство классической механики является плоским евклидовым пространством размерности три. Дополнительно к трем пространственным размерностям вводится еще одна координата (или направление) – время. Совместно эти четыре координаты определяют галилеево пространство. Но, конечно, между тремя пространственными и четвертым временным направлениями имеется большая разница. Это видно даже в единицах их измерения – “метры” и “секунды”. Их путать никак нельзя.
Свойства трех пространственных направлений полностью соответствуют тем, что мы знаем из школы и изучали (кто как) на уроках геометрии (планиметрии). Также пользовались этим пространством, только двухмерным, на уроках рисования, черчения. Рисовали на асфальте. Не буду расписывать все его свойства. Но основные – это 1) свойство однородности, 2) изотропности 3) симметричность относительно инверсия координат (зеркальной симметрии). Первое свойство в применении к модели реального пространства означает, что законы физики одни и те же во всех уголках нашей Вселенной. Второе свойство означает, что свойства пространства не зависят от направления (ориентации). Третье свойство означает, что законы физики не изменятся также при зеркальном отражении пространства.
Точно такими же свойствами обладает и временное направление. Первое – законы физики одни и те же во Вселенной в прошлом, настоящем и будущем. Второе и третье свойства означают , что свойства пространства не зависят от направления “прошлое” или “будущее”. Это свойство называется “обратимостью”.
Но здесь есть некоторая сложность. Если в пространстве непрерывным поворотом системы координат разные направления можно совместить: r -> -r, то здесь нет непрерывного отображения t -> -t. В применении к реальности у этого свойства есть ограничения.
Замечание. В классической механике (физике) они определяются законом сложных систем и больших чисел, а в современной квантовой физике существует фундаментальное ограничение на применение этого закона даже для простых и единичных систем.
Еще одно, фундаментальное свойство физической реальности, а не просто галилеева пространства – движение материи во времени и пространстве происходит в соответствии с точными законами. Это означает, что если, зафиксировав состояние материи в любой момент, можно проследить ее истории как в будущем, так и в прошлом с абсолютной точностью. Термином, обозначающим это свойство, является слово “детерминизм”.
Еще одно свойство относится к объединенному четырехмерному пространству-времени (и это свойство каким то образом может оправдывать использование четырехмерных моделей пространства-времени с четырьмя равноправными координатами. Но к классической механике это можно отнести с большим трудом). А именно, оно формулируется так: “Все инерциальные системы отсчета равноправны”. Инерциальными системами отсчета (или ИСО) называются системы отсчета, движущиеся друг относительно друга прямолинейно и равномерно.
Равноправность означает, что в природе нет выделенных систем отсчета и законы природы выполняются одинаково во всех ИСО – и движущихся, и не движущихся. Точнее, невозможно даже определить, в каком состоянии – состоянии движения или покоя – находится конкретная ИСО. Можно определить только их взаимное движение.
Преобразования галилеева пространства
В математической модели такие галилеевы системы отсчета получаются с помощью так называемых галилеевых преобразований координат:
t’ = kt – t₀ ,
r’ = wg(r – r₀) – vt.(3)
Здесь t₀ – смещение временной координаты (однородность времени),
r₀ – смещение пространственной координаты (однородность пространства),
w – функция поворота координатных осей (изотропность пространства).
Изотропность пространства и времени формулируется через коэффициент k = ±1 в уравнениях (3).
Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу мыши и выберите “Искать в …”, далее – “Yandex”. Все! О-ля-ля!
Если вам понравилась статья, то поставьте “лайк” и подпишитесь на канал! Этим вы поможете каналу.
Ссылка на мою статью Как написать формулы в статье на Дзен?
Мои странички на Дзен: https://zen.yandex.ru/id/5e036c95fc69ab00aecfe6e9
Источник