ВСГТУ.

Доповідь на тему:

Виконав: студент гр. 521-2

Матвєєв Ф.І.

Улан-Уде.2001.

Розвинуто уявлення про простір і час.

У матеріалістичної картині світу поняття простору виникло наоснові спостереження та практичного використання об'єктів, їх обсягу тапротяжності.

Поняття часу виникла на основі сприйняття людиною зміни подію,послідовної зміни станів предметів і кругообігу різнихпроцесів.

Природничонаукові уявлення про простір і час пройшли довгийшлях становлення і розвитку. Найперші з них виникли з очевидногоіснування в природі і в першу чергу в макросвіті твердих фізичнихтіл, що займають певний об'єм. Тут основними були повсякденніуявлення про простір і час як про якихось зовнішніх умовахбуття, в які поміщена матерія і які збереглися б, якщо б навітьматерія зникла. Такий погляд дозволив сформулювати концепцію абсолютногопростору і часу, що отримала свою найбільш виразну формулювання уроботи І. Ньютона «Математичні начала натуральної філософії» Ця працябільш ніж на два століття визначив розвинене всій природничо-наукової картинисвіту. У ньому були сформульовані основні закони руху і дано визначенняпростору, часу, місця і руху.

-Розкриваючи суть простору і часу, Ньютон пропонує розрізнятидва типи цих понять абсолютні (справжні, математичні) і відносні
(що здаються, повсякденні) і дає їм наступну типологічних характеристику

-Абсолютне, істинне, математичне час саме по собі і своїйсутності без жодного відношення до будь-чого зовнішнього, протікає рівномірно іінакше називається тривалістю

-Відносне, що здається, або повсякденне, час є або точна, абомінлива, осягається почуттями зовнішня міра тривалий і,що вживається в повсякденному житті замість істинного математичного часу,як то годину, день, місяць, рік

-Абсолютне простір по своїй суті, безвідносно до будь-чогоне було зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим.

-Відносне простір є міра або будь-яка обмеженарухома частина, яка визначається нашими почуттями за положенням йогощодо деяких тіл і яке у повсякденному житті приймається запростір нерухоме

-Час і простір складають як би вмістища самих себе і всьогоіснуючого

При такому розумінні абсолютний простір і час представлялисясамодостатнім деякими елементами буття, що існують поза і незалежновід будь-яких матеріальних процесів, як універсальні умови, в якіпоміщена матерія. Ця концепція «чорного ящика», про яку вже говорилосявище. Цей погляд близький до субстанціональної розуміння простору ічасу, хоча у Ньютона вони і не є справжніми субстанціями, якматерія вони володіють лише однією ознакою субстанції абсолютноїсамостійністю існування і незалежністю від будь-яких конкретнихпроцесів, але вони не володіють іншим найважливішим якістю субстанції --здатністю породжувати різні тіла, зберігатися в їх основі при всіхзміни тел. Таку здатність Ньютон визнавав лише за матерією,яка розглядалася як сукупність атомів. Правда, матерія - тежвторинна субстанція після Бога, який створив світ, простір ічас, і привів їх в рух. Бог, будучи істотою внепространственним іпозачасовим, не підвладний часу, в якому все мінливе і минуще. Вінвічний у своєму нескінченному досконало і всемогутності і є справжньоюсутністю всякого буття. До нього не може бути застосована категорія часу. Богіснує у вічності, яка є атрибутом Бога. Щоб повнішереалізувати свою нескінченну мудрість і могутність, він створює світ знічого, творить матерію, а разом з нею простір і час як умовибуття матерії. Але коли-небудь світ повністю здійснить закладений в ньомупри творінні божественний план розвитку і його існування припиниться, аразом зі світом зникнуть простір і час. І знову буде тільки вічністьяк атрибут Бога і його нескінченна настирливість. Подібні поглядивиражалися в загальному вигляді ще Платоном, Аврелієм Августином, Фомою Аквінськимі ід послідовниками, Ньютон також розділяв ці погляди.

У цих поглядах, навіть з теологічної точки зору, містятьсяглибокі суперечності. Адже одноразовий акт створення світу і приреченістьйого на прийдешню загибель не відповідає безкінечного могутності,досконалості і мудрості Бога. Цим божественним атрибутом більшевідповідало б нескінченну безліч актів творіння самих різнихсвітів, які послідовно змінюють один одного в просторі й часі. Укожному з низ реалізовувалася б певна ідея, дана цього світу
Богом, а всі безліч цих ідеї створювало б нескінченний простір ічас. Подібні ідеї, висловлені в загальному вигляді ще олександрійський теологом
Орігеном (Ш ст. Н.е.) і оголошені незабаром єрессю, у новий час розвивалисяу філософії Лейбніца, який висунув ідею про встановленої гармонії вкожному з потенційно можливих світів. Лейбніц розглядав простіряк порядок співіснування тіл, а час - як порядок відносини іпослідовність подій. Це розуміння склало сутність реляційноїконцепції простору і часу, яка протистояла їх розуміння якабсолютних і не залежать ні від чого реальностей, підвладних тільки Богу.

Є концепції (Берклі, Авенаріус тощо), які ставлять простір ічас у залежність від людської свідомості, виводячи їх із здатностілюдини переживати і впорядковувати події, розташовувати їх одне колоіншого. Так, Кант розглядав простір і час як апріорні
(додосвідні) форми чуттєвого споглядання, вічні категорії свідомості,аргументуючи це посиланням на стабільність геометрії Евкліда протягом двохтисячоліть.

Проблема простору і часу була тісно пов'язана з концепціямиблізкодействія і дальнодії. Дальнодействующіх мислилося як миттєвепоширення гравітаційних і електричних сил через порожній абсолютнапросторів во, в якому сили знаходять свою кінцеву мету завдякибожественного провидіння. Концепція ж блізкодействія (Декарт, Гюйгенс,
Френель, Фарадей) була пов'язана з розумінням простору як протяжностіречовини і ефіру, у якому світло поширювався з кінцевою швидкістю ввигляді хвиль. Це призвело в подальшому до поняття поля, від точки до точкиякого і передавалося взаємодія.

Саме це розуміння взаємодії і простору, розвивалося врамках класичної фізики, була успадкована та розвинуте далі в XX столітті,після краху гіпотези ефіру, в рамках теорії відносності та квантовоїмеханіки. Простір і час знову стали розумітися як атрибути матерії,визначаються її зв'язками і взаємодіями.

Сучасне розуміння простору і часу було сформульовано втеорії відносності А. Ейнштейна, по-новому інтерпретованоїреляційну концепцію простору і часу і дала їй природничообгрунтування.

теорії відносності.

Вихідним пунктом цієї теорії став принцип відносності класичнийпринцип відносності був сформульований ще Г. Галілеєм: у всіхінерційних системах відліку рух тіл відбувається за однаковимизаконам. Інерціальні називаються системи відліку, що рухаються одинщодо одного рівномірно і прямолінійно.

Галілей роз'яснював це положення різними наочними прикладами.
Уявімо мандрівника в закритій каюті спокійно пливе корабля Вінне помічає ніяких ознак руху. Якщо в каюті літають мухи, вониаж ніяк не скупчуються біля задньої її стінки, а спокійно літають по всьомуоб'ємом. Якщо підкинути м'яч прямо вгору, він впаде прямо вниз, а невідстане від корабля, не впаде ближче до корми.

З принципу відносності випливає, що між спокоєм і рухом - якщовоно рівномірно і прямолінійно - немає ніякої принципової різниці Різницятільки в точці зору.

Наприклад, мандрівник в каюті корабля з повною підставою вважає,що книга, що лежить на його столі, покоїться. Але людина на березі бачить, щокорабель пливе, і він має всі підстави вважати, що книга рухається іпри тому з тією ж швидкістю, що й корабель. Так рухається насправді книгаабо покоїться?

На це питання, мабуть, не можна відповісти просто «так» чи «ні» Суперечкаміж мандрівником і людиною на березі був би марною тратою часу,якщо б кожен з них відстоював тільки свою точку зору н заперечував точкузору партнера. Вони обидва мають рацію, і щоб узгодити позиції, їм потрібнотільки визнати, що книга покоїться щодо корабля і рухаєтьсящодо берега разом з кораблем.

Таким чином, слово «відносність» в назву принципу Галілея неприховує в собі нічого особливого Воно не має ніякого іншого змісту, крімтого, який ми вкладаємо в твердження про те, що рух або спокій --завжди рух або спокій щодо чогось, що служить нам системоювідліку. Це, звичайно, не означає, що між спокоєм і рівномірнимрухом немає ніякої різниці. Але поняття спокою і руху набуваютьсенс лише тоді, коли вказана точка відліку.

Якщо класичний принцип відносності стверджував інваріантністьзаконів механіки в усіх інерційних системах відліку, то у спеціальнійтеорії відносності цей принцип був поширений також на закониелектродинаміки, а загальна теорія відносності стверджувала інваріантністьзаконів природи в будь-яких системах відліку, як інерційних, інеінерційній. Неінерційній називаються системи відліку, що рухаються зуповільненням або прискоренням.

У відповідності зі спеціальною теорією відносності, якаоб'єднує простір і час в єдиний чотиривимірний просторово -часовий континуум, просторово-часові властивості тіл залежать відшвидкості їх руху. Просторові розміри скорочуються в напрямкуруху при наближенні швидкості тіла до швидкості світла а вакуумі (300 000км/с), тимчасові процеси сповільнюються в бистродвіжущихся системах, масатіла збільшується.

Перебуваючи в супутньої системі відліку, тобто рухаючись паралельно іна однаковій відстані від вимірюваної системи, не можна помітити ціефекти, які називаються релятивістськими, тому що всі використовувані привимірах просторові масштаби та години будуть мінятися точно таким жечином. Згідно з принципом відносності, всі процеси в інерційнихсистемах відліку протікають однаково. Але якщо система єіеінерцнальной, то релятивістські ефекти можна помітити і виміряти. Так,якщо уявний релятивістський корабель типу фотонній ракети відправиться додалеких зірок, то після повернення його на Землю часу в системікорабля пройде істотно менше, ніж на Землі, і ця різниця будебільше, чим далі здійснюється політ, а швидкість корабля буде ближче дошвидкості світла. Різниця може вимірюватися навіть сотнями і тисячами років, ввнаслідок чого екіпаж корабля відразу перенесеться в близьке або більшевіддалене майбутнє, минаючи проміжне час, оскільки ракета разом зекіпажем випала з ходу розвитку на Землі.

Подібні процеси уповільнення ходу часу в залежності від швидкостіруху реально реєструються зараз у вимірах довжини пробігу мезонів,що виникають при зіткненні частинок первинного космічного випромінювання зядрами атомів на Землі.

Отже, спеціальна теорія відносності базується на розширеномупринципі відносності Галілея. Крім того, вона використовує ще одне новестан: швидкість поширення світла (в порожнечі) однакова для всіхінерційних системах відліку.

Але чому так важлива ця швидкість, що судження про неї прирівнюється зазначенням до принципу відносності? Справа в тому, що ми тут стикаємосяз другої універсальної фізичної константою. Швидкість світла - це самабільша з усіх швидкостей в природі, гранична швидкість фізичнихвзаємодій. Довгий час її взагалі вважали нескінченною. Вона булавстановлена в XIX ст., склавши 300 000 км/с. Це величезна швидкість попорівнянні із зазвичай спостерігаються швидкостями в навколишньому світі. Наприклад,лінійна швидкість обертання Землі на екваторі дорівнює 0,5 км/с. швидкість Землів її орбітальному обертання навколо Сонця - 30 км/с, швидкість самого Сонця вйого русі навколо центру Галактики - близько 250 км/с. Швидкість рухувсієї Галактики з великою групою інших галактик щодо інших такихж груп - ще в два рази більше. Разом із Землею, Сонцем і Галактикою милетимо в космічному просторі, самі того не помічаючи, з величезноюшвидкістю, яка вимірюється кількома сотнями кілометрів на секунду. Цевеличезна швидкість, та все ж і вона мала в порівнянні зі швидкістю світла.

Уявімо собі експеримент: великий супутник рухається по орбіті навколо
Землі, і з нього, як з космодрому, запускається ракета - міжпланетнастанція до Венери. Запуск проводиться строго в напрямку рухуорбітального космодрому. З законів класичної механіки випливає, щовідносно Землі ракета буде мати швидкість, яка дорівнює сумі двохшвидкостей: швидкість ракети щодо орбітального космодрому плюсшвидкість самого космодрому відносно Землі. Швидкості рухівскладаються, і ракета одержує досить велику швидкість, якадозволяє подолати тяжіння Землі і полетіти до Венери.

Інший експеримент: із супутника випускається промінь світла у напрямку йогоруху. Щодо супутника, звідки він іспущен, світло поширюєтьсяз, швидкістю світла. Яка швидкість поширення світла щодо
Землі? Вона залишається такою ж. Навіть якщо світло буде випускати не поруху супутника, а в прямо протилежному напрямку, то і тодівідносно Землі швидкість світла не зміниться. Це - ілюстрація тогонайважливішого твердження, яке покладено в основу спеціальної теоріївідносності. Рух світла принципово відрізняється від руху всіхінших тіл, швидкість яких менше швидкості світла. Швидкості цих тілзавжди складаються з іншими швидкостями. У цьому сенсі швидкостівідносні: їх величина залежить від точки зору. А швидкість світла нескладається з іншими швидкостями, вона абсолютна, завжди одна й та сама, і,говорячи про неї, нам не потрібно вказувати систему відліку.

Абсолютність швидкості світла не суперечить принципу відносності іповністю сумісна з ним. Сталість цієї швидкості "закон природи, атому - саме у відповідності з принципом відносності - він справедливийв усіх інерційних системах відліку.

Швидкість світла це верхня межа для швидкості переміщення будь-яких телприроди, для швидкості розповсюдження будь-яких хвиль, будь-яких сигналів. Вонамаксимальна - це абсолютний рекорд швидкості. Тому часто кажуть, щошвидкість світла - гранична швидкість передачі інформації. І граничнашвидкість будь-яких фізичних взаємодій, та й взагалі всіх мислимихвзаємодій у світі.

Зі швидкістю світла тісно пов'язане рішення проблеми одночасності,яка теж виявляється відносною, тобто залежить від точки зору.
У класичній механіці, яка вважала час абсолютним, абсолютноїє і одночасність.

У загальній теорії відносності було розкрито нові сторони залежностіпросторово-часових відносин від матеріальних процесів. Ця теоріяпідвела фізичні основи під неевклидова геометрії і зв'язала кривизнупростору і відступ його від метрики евклідової з дієюгравітаційних полів, що створюються масами тел. Загальна теорія відносностівиходить з принципу еквівалентності інерційної н гравітаційної мас,кількісне рівність яких давно було встановлено в класичнійфізики. Кінематичні ефекти, що виникають під дією гравітаційнихсил, еквівалентні ефектів, що виникають під дією прискорення. Так, якщоракета злітає з прискоренням 2g, то екіпаж ракети буде почувати себетак, як ніби він знаходиться у подвоєному поле тяжіння Землі. Саме наоснові принципу еквівалентності мас був узагальнений принцип відносності,затверджує в загальній теорії відносності інваріантність законів природив будь-яких системах відліку, як інерційних, так і неінерцнальних.

Як можна уявити собі викривлення простору, про який говоритьзагальна теорія відносності? Уявімо собі дуже тонкий лист гуми ібудемо вважати, що це модель?? ространства. Розташуємо на цьому аркушівеликі і маленькі кульки - моделі зірок. Ці кульки будуть прогинати листгуми тим більше, чим більше маса кульки. Це наочно демонструєзалежність кривизни простору від маси тіла і показує також, щозвична нам евклідового геометрія в даному випадку не діє (працюютьгеометрії Лобачевського і Рімана).

Теорія відносності встановила не тільки викривлення простору піддією полів тяжіння, а й уповільнення ходу часу в сильнихгравітаційних полях. Навіть тяжіння Сонця - досить невеликий зіркиза космічними мірками - впливає на темп протікання часу, сповільнюючи йогопоблизу себе. Тому якщо ми пошлемо радіосигнал в якусь точку, шлях доякої проходить поруч із Сонцем, подорож радіосигналу займе в такомувипадку більше часу, ніж тоді, коли на шляху цього сигналу при такому жвідстані не буде Сонця. Затримка сигналу при його проходженні поблизу
Сонця становить близько 0,0002 с.

Одне з найбільш фантастичних прогнозів загальної теорії відносності --повна зупинка часу в дуже сильному полі тяжіння. Уповільнення часутим більше, чим сильніше тяжіння. Уповільнення часу виявляється вгравітаційному червоному зміщенні світла: чим сильніше тяжіння, тим більшезбільшується довжина хвилі і зменшується його частота. За певнихумовах довжина хвилі може поринути до нескінченності, а її частота донулю.

Зі світлом, що випускаються Сонцем, це могло б статися, якби нашасвітло раптом стислося і перетворилося на куля з радіусом в 3 км або менше
(радіус Сонця дорівнює 700 000 км). З-за такого стискання сила тяжіння наповерхні, звідки і виходить світло, зросте настільки, що гравітаційнечервоний зсув виявиться дійсно нескінченним.

Відразу скажемо, що із Сонцем цього ніколи насправді не відбудеться. УНаприкінці свого існування, через 15-20 млрд. років, воно випробує, ймовірно.
Безліч перетворень, його центральна область може значно стиснутися,але все ж таки не так сильно.

Але інші зірки, маси яких в три і більше разів перевищують масу
Сонця, в кінці свого життя і дійсно зазнають швидше за все швидкекатастрофічне стиснення під дією свого власного тяжіння. Цеприведе їх до стану чорної діри. Чорна діра - це фізичне тіло,що створює настільки сильне тяжіння, що червоне зміщення для світла,випускається поблизу нього, може звернутися в нескінченність.

Чорні дірки виникають в результаті нестримного стискання речовини піддією його власного тяжіння. Щоб виникла, чорна діра, тілоповинно стиснутися до радіусу, не перевершує відношення маси тіла до маси
Сонця, помноженої на 3 км. Це критичне значення радіусу називаютьгравітаційним радіусом тіла.

Фізики та астрономи абсолютно впевнені, що чорні діри існують уприроді, хоча до сих пір їх виявити не вдалося. Труднощіастрономічних пошуків пов'язані з самою природою цих незвичайних об'єктів.
Адже нескінченне червоний зсув, через якого звертається в нуль частотаприймається світла, робить їх просто невидимими. Вони не світять, і тому вповному розумінні цього слова є чорними. Лише за низкою непрямихознак можна сподіватися помітити чорну дірку, наприклад, у системі подвійноїзірки, де її партнером була б звичайна зірка. Зі спостережень рухувидимої зірки в загальному полі тяжіння такої пари можна було б оцінитимасу невидимої зірки, і якщо ця величина перевищить масу Сонця в три ібільше разів, можна буде стверджувати, що ми знайшли чорну діру.

Зараз є кілька добре вивчених подвійних систем, в якихмаса невидимого партнера оцінюється в 5 або навіть 8 мас Сонця. Швидшеза все, це і є чорні дірки, але астрономи до уточнення цих оціноквважають за краще називати ці об'єкти кандидатами в чорні дірки.

Гравітаційне уповільнення часу, мірою і свідченням якогослужить червоний зсув, дуже значно поблизу нейтронної зірки, апоблизу чорної діри, у її гравітаційного радіуса, воно настільки велике, щочас там як би завмирає.

Для тіла, що попадає в поле тяжіння чорної дірки, утвореної масою,рівною 3 мас Сонця, падіння з відстані 1 млн. км до гравітаційногорадіуса займає лише близько години. Але по годинах, які покояться далеко відчорної діри, вільне падіння тіла в її поле розтягніть в часі донескінченності. Чим ближче падаюче тіло до гравітаційного радіусу, тим більшеповільним буде представлятися цей політ віддаленою спостерігачеві.

Тіло, що спостерігається здалеку, буде нескінченно довго наближатися догравітаційного радіусу і ніколи не досягне його. У цьому виявляєтьсяуповільнення часу поблизу чорної діри.

Уявлення про простір і час, формулюються в теоріївідносності Ейнштейна, на сьогоднішній день є найбільшпослідовними. Але вони є Макроскопічно, тому що спираються надосвід дослідження макроскопічних об'єктів, великих відстаней і великихпроміжків часу. При побудові теорій, що описують явища мікросвіту,ця класична геометрична картина, що припускає безперервністьпростору і часу (просторово-часовий континуум), булаперенесена на нову область без будь-яких змін. Експериментальнихданих, що суперечать застосування теорії відносності у мікросвіті, покинемає. Але сам розвиток квантових теорій, можливо, вимагатиме переглядууявленні про фізичному просторі та часі.