Принцип относительности классической механики. Понятия пространства и времени, выработанные в классической физике, представляют результат обобщения повседневного опыта и научного анализа простейших механических движений. Развитие механики теснейшим образом связано с определенным пониманием пространства и времени.
Основным законом классической механики является второй закон Ньютона. Для описания механического движения, необходимо измерение координат движущегося тела, что требует введения понятия тела отсчета, с которым связывается система координат, образуя систему отсчета. Встает естественный вопрос: для всякой ли системы отсчета будет справедлив основной закон механики?
Системы отсчета могут они могут покоиться, двигаться равномерно и прямолинейно или, наконец, двигаться ускоренно одна относительно другой. Если две системы отсчета покоятся относительно друг друга, то это означает, что они представляют физически одну и ту же систему — различие между ними сводится к чисто геометрическому переносу начала координат. Поэтому остаются два физически различных типа систем отсчета: инерциальные системы и неинерциальные. Для последних приведенная формулировка второго закона Ньютона не сохраняется.
В инерциальных системах отсчета переход от одной системы к другой не меняет вида второго закона Ньютона — он справедлив для всех систем. Приведенное утверждение составляет содержание принципа относительности классической механики, или принципа относительности Галилея. Этот принцип утверждает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета.
В современной физике законы классической механики формулируются как справедливые для всего класса инерциальных систем. Но в период обоснования классической механики перед ее творцами неизбежно вставал вопрос: а существуют ли вообще инерциальные системы? Ведь если дана хотя бы одна такая система, то может существовать бесчисленное их множество, ибо любая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной, тоже будет инерциальной. Но как найти эту «хотя бы одну» инерциальную систему? Например, является ли таковой система отсчета, связанная с Землей? Мы знаем, что на Земле с достаточной степенью точности соблюдается принцип инерции, и тем не менее Земля — система неинерциальная: она вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Но может быть, инерциальная система, связанная с Солнцем? Тоже, строго говоря, нет, 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 и привели к понятию абсолютного пространства. Оно представлялось совершенно неподвижным, а связанная с ним система отсчета — строго инерциальной. В связи с этим предполагалось, что по отношению к абсолютному пространству законы механики и выполняются совершенно строгим образом.
Преобразования Галилея и пространственно-временные представления классической физики. Принцип относительности Галилея, с одной стороны, опирался, а с другой — требовал вполне определенных представлений о пространстве и времени.
В преобразованиях Галилея отражены основные свойства пространства и времени, как они понимались в классической механике. Каковы же эти свойства?
1. 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 (t' = t). Таким образом, время мыслится как нечто совершенно самостоятельное по отношению к пространству.
2. 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. Короче, это именно ньютоновское абсолютное, истинное время. Столь же абсолютный характер носит и основная пространственная характеристика — длина.
Основные принципы и законы классической механики получили обоснование в работах Галилея и Ньютона. Галилей сформулировал принцип инерции, ввёл понятие инерциальной системы отсчёта, предложил механический принцип относительности. Ньютон придал законченный вид классическим представлениям о пространстве-времени, дав определения этим понятиям. «Абсолютное пространство безотносительно к чему бы то ни было внешнему остаётся всегда одинаковым и неподвижным. Абсолютное, истинное математическое время безо всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно».
Длина тела, временной интервал, понятие одновременности оказываются инвариантными относительно любых инерциальных систем. Инвариантность становится возможной, потому что полагается наличие универсальной, общей для всего мира системы отсчёта, единого пространства-времени Вселенной. Что бы ни происходило с материальными телами, это никак не влияет на свойства пространства-времени.
Как и для античных исследователей мира, для представителей классической физики 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. «Абсолютное, истинное, материалистическое 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 продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...». Абсолютное пространство по своей сущности, не связано с объектами, помещенными в него, и 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.
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 важным 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. После выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно развиваться, причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света вновь возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства.
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 (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) 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.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давней ей естественнонаучное обоснование.
Во второй половине XIX века фундаментальные изменения в естествознании нашли отражение в диалектико-материалистической философии. Принципы диалектического материализма подтверждались всё новыми и новыми открытиями. Согласно принципу материального единства мира единственной субстанцией является материя. Ничто не может существовать отдельно и независимо от неё. Следовательно, П-В не могут быть самостоятельными субстанциями, а являются характеристиками материи, всеобщими формами существования материи. Форма – это способ существования содержания. П-В, являясь всеобщими формами, характеризуют упорядоченность материи. Пространство – это порядок одновременного сосуществования материальных объектов. Время – порядок смены событий, последовательность состояний. Следовательно, свойства П-В могут быть разными, в зависимости от характера материальных процессов.
Физическим обоснованием диалектико-материалистических представлений о П-В стала теория относительности А. Эйнштейна. К концу XIX века появляется всё больше сомнений в абсолютности принципов классической механики. В частности, экспериментальное подтверждение постоянства скорости света противоречило классическому закону сложения скоростей. Распространив принцип относительности на все физические явления и постулируя постоянство скорости света, Эйнштейн сформулировал СТО. Для инерциальных систем отсчёта, движущихся с большими скоростями предсказывались релятивистские эффекты сокращения длин, замедления времени и относительность понятия одновременности. Метрические свойства П-В оказывались не абсолютными, а зависящими от взаимного движения материальных тел. Возрастала роль наблюдателя, т.е. выбора системы отсчёта, т.к. менялись не собственные пространственно-временные характеристики тела, а их восприятие наблюдателями в разных системах отсчёта. Некоторые эффекты, предсказываемые СТО, позднее были подтверждены экспериментально (время жизни мюонов).
В СТО П-В перестают восприниматься не только отдельно от материи, но и отдельно друг от друга. В преобразованиях Лоренца пространственные и временные характеристики связаны едиными формулами. На основе этого Г. Минковский предложил понятие единого четырёхмерного пространственно-временного континуума, в котором время эквивалентно трём пространственным координатам.
Реляционная концепция П-В получила развитие и в ОТО. Эйнштейн попытался распространить физический принцип относительности и на неинерциальные системы. Поэтому, создавая теорию для неинерциальных систем отсчёта, Эйнштейн пришёл к созданию общей теории гравитации. Задолго до Эйнштейна в математике появились представления о кривизне пространства. Например, в геометриях Лобачевского, Римана. Эйнштейн наполнил эти математические абстракции физическим смыслом. Объекты, создающие сильные гравитационные поля, искривляют пространство, делают его неэвклидовым и замедляют течение времени. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее в нём течёт время, по сравнению с временем вне поля. Эти эффекты позднее были экспериментально подтверждены (искривление луча света вблизи солнца, уменьшение частоты излучения атомов в белых карликах).
Таким образом, в 20 веке победил диалектико-материалистический подход к П-В. Исчезает представление об абсолютных П-В, единых для всей Вселенной. Взамен появляется представление о бесконечном множестве материальных тел, с каждым из которых связано собственное П-В. Это значит, что П-В не существуют отдельно от материи, а являются характеристиками материальных процессов, формами существования материи. Это также значит, что не существует пустого пространства, без материи.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему