Современные представления о пространстве и времени

Негосударственное образовательное  учреждение                                                                                             высшего профессионального образования                                                                                                                     «Санкт-Петербургский институт гостеприимства»

 

Факультет менеджмента

 

 

Контрольная работа

по дисциплине

«Концепции  современного естествознания»

на тему

«Современные  представления о пространстве и  времени»

 

Студента 2 курса

заочной формы обучения

группы № 217

Файрузовой А.И.

№ зачетной книжки 2011/137

Преподаватель:

Барышников В.И.

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Развитие представлений о пространстве и времени 

2. Специальная теория относительности

3. Пространство и время  в  общей теории относительности  и в релятивистской космологии

4. Пространство и время на уровне микромира

5. Единство и многообразие  свойств пространства и времени

Заключение

Список  использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Важнейшей задачей естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении  и изменении различных материальных продуктов и явлений. Физические, химические и другие величины непосредственно  связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик  объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировалось представление  о пространстве и времени. Накопление знаний в различных областях физики и астрономии привело к созданию теории относительности Эйнштейна. Прошлый век  - век бурного развития науки был наиболее плодотворным в плане познания времени и  пространства.

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 человеческой природы. Представление  о пространстве времени подавляет  наше воображение.

Целью данной работы является изучение представления о пространстве и времени. В связи с поставленной целью необходимо решить следующие  задачи:

• рассмотреть более ранние представления о пространстве и времени;
• изучить специальную и общую теорию относительности; пространство и время на уровне микромира;
• изучить свойства пространства и времени.

1. Развитие представлений  о пространстве и времени

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

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

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. Здесь 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. Такой взгляд позволил 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 вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую  типологическую характеристику:

1. Абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

2. 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... 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.

Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования 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 независящих  ни от чего реальностей, подвластных  только Богу.

Есть концепции, которые  ставят пространство и время в  зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так, Кант рассматривал пространство и  время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это  ссылкой на стабильность геометрии  Евклида в течении 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 проведению. Концепция  же близкодействия была связана с  пониманием пространства как протяженности  вещества и эфира, в котором свет распространяется 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 физике, было унаследовано и развито далее  в XX веке, 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.

 

2. Специальная  теория относительности

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала  результатом обобщения и синтеза  классической механики и электродинамики. “Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без  учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким  образом, оказывается ее частным  случаем”.

Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности  был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики справедливы  в одной системе координат, то они справедливы и в любой  другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой”. Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется  закону инерции, гласящему: “Всякое  тело сохраняет состояние покоя  или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил”.

Галилей разъяснял это  положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля, он не замечает никаких признаков  движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки, а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Из принципа относительности следует, что между покоем и движением нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или нет? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто “да” или “нет”.   Таким образом, слово “относительно” в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения  приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Если классический принцип  относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной  теории относительности данный принцип  был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и  неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением  или ускорением.

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 тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

  Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили  Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность  длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие   одновременности лишено смысла: "Два события,  одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при  рассмотрении из системы, движущейся относительно данной".

Коренным отличием специальной  теории относительности от  предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве   внутренних элементов движения материи, структура  которых зависит от природы самого движения, является его функцией.  В подходе Эйнштейна пространству и времени придаются новые  свойства: относительность длины  и временного промежутка, равноправность пространства и времени.

  Теория  Эйнштейна исходит из ограниченности и относительности трехмерного, чисто пространственного представления о мире и  вводит более точное пространственно-временное представление. С точки зрения теории относительности в картине мира должны  фигурировать четыре координаты  и ей должна соответствовать четырехмерная геометрия.

Однородность пространства  выражается в сохранении импульса, а однородность времени - в сохранении энергии. Можно ожидать, что в  четырехмерной  формулировке  закон  сохранении импульса и закон сохранения энергии сливаются в один закон  сохранения  энергии  и импульса. Действительно,  в теории относительности  фигурирует такой объединенный закон  импульса. Однородность пространства-времени  означает,  что  в природе нет выделенных пространственно-временных мировых точек. Нет события, которое было бы абсолютным началом четырехмерной, пространственно-временной системы отсчета.

Таким образом, сформулированная в 1905 г. А. Эйнштейном специальная теория относительности представляет собой  современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и  в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

• принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой;
• принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь  обобщением механического принципа относительности Галилея на любые  физические процессы, утверждает таким  образом, что физические законы инвариантны  по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие  эти законы, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета  совершенно равноправны, т.е. механические, электродинамические, оптические и  прочие явления и процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают  одинаково.