Исторически сложились два основных подхода к пониманию пространства и времени. Первый подход — субстанциональный. Пространство и время понимаются в данном случае как нечто самостоятельно существующее наряду с материей, как ее «вместилища». При этом пространство — это «чистая протяженность», а время — «чистая длительность». Такой позиции придерживался Демокрит, однако свое всестороннее развитие эта концепция получила у Ньютона и в классической механике в целом.
Второй подход — реляционная концепция пространства и времени. Ее развивали Аристотель, Лейбниц и другие. Согласно этому подходу, пространство и время — не особые субстанциональные сущности, а формы существования материальных объектов: пространство выражает сосуществование объектов, а время — последовательность их состояний. Реляционный подход был воспринят релятивистской физикой, в которой пространство и время стали пониматься как общие формы координации материальных объектов и их состояний (пространство — совокупность отношений, выражающих координацию сосуществования объектов, их расположение друг относительно друга, а время — совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний, их последовательность и длительность).
В классической механике для описания механического движения необходимо выявление координат движущегося тела, что требует введения понятия «система отсчета». Существуют физические различные типы систем отсчета: инерциальные системы (движущиеся равномерно, прямолинейно относительно друг друга) и неинерциальные (движущиеся с ускорением). Принцип относительности Галилея утверждает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета: состояние равномерного, прямолинейного движения никак не сказывается на происходящих в системе механических процессах и никакими механическими экспериментами, проводимыми внутри системы, нельзя определить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.
Но существуют ли инерциальные системы в действительности? Поиски ответа на этот вопрос и привели к понятию абсолютного пространства, которое представлялось неподвижным.
Кроме того, пространственные и временны¢е координаты входят в уравнения классической механики неравноправным образом: временная координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными (время мыслится как существующее независимо от пространства). Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и двумя событиями во времени (промежуток), которые также имеют в классической механике абсолютный характер. Итак, время и пространство в классической механике независимы друг от друга и вообще от любых свойств материальных объектов.
В середине XIX века были проведены опыты по измерению скорости света с (с = 3.108 м/с). Сразу стал вопрос: скорость света по отношению к чему? Большинство физиков предположили, что к эфиру, который неподвижен и является прообразом абсолютного пространства. Найдя разность между скоростью света в эфире и скоростью света в данной системе отсчета, можно было бы определить скорость движения этой системы относительно эфира. Эта идея легла в основу опыта Майкельсона—Морли. Однако опыт дал отрицательный результат.
Принципиально новый подход к пониманию пространства и времени был предложен Эйнштейном, который создал специальную теорию относительности (СТО) и общую теорию относительности (ОТО).
Основу СТО составили два постулата:
• принцип относительности Эйнштейна, обобщающий принцип относительности Галилея на любые физические явления: все физические процессы (при одних и тех же условиях) в инерциальных системах отсчета протекают одинаково; все инерциальные системы отсчета равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета;
• принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света.
Данные постулаты противоречили представлениям о пространстве и времени, принятым в механике Ньютона. Эйнштейн предположил, что время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, что промежуток времени между двумя какими-либо событиями относителен и будет зависеть от выбора системы отсчета. События, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, будут не одновременными в других системах.
Линейные размеры тела также зависят от скорости движения. Время и пространство в СТО оказались взаимосвязанными, образуя четырехмерный пространственно-временной континуум.
Математическая интерпретация СТО нашла выражение в преобразованиях Лоренца. Эти уравнения позволяют выразить координаты в движущейся системе К¢ через координаты неподвижной К и наоборот.
Как видно из формул, пространство и время в них входят равноправным образом, а длина и временной промежуток имеют относительный характер. Предмет обладает наибольшей длиной в системе, где он покоится. Длина, измеренная в движущейся системе отсчета, сокращается в раз. Этот эффект называют релятивистским сокращением длины. Промежуток времени будет наименьшим в покоящейся системе, а в движущейся системе он возрастает в раз. Данный эффект обозначается как релятивистское замедление течения времени.
Таким образом, в СТО длина и промежуток времени утрачивают свой абсолютный характер. Но одновременно с этим возникает вопрос о природе релятивистских эффектов. Их объяснение было представлено в разных концепциях: динамической (предложенной Лоренцем и Фицджеральдом), согласно которой тела при движении действительно сокращаются, что вызвано динамическими причинами, силовыми воздействиями на них; субъективистской, признающей зависимость длины и временного промежутка от субъекта наблюдения, и, наконец, релятивистской. Суть последней состоит в том, что она исходит из признания релятивистских эффектов как реальных, но относительных эффектов. Длина не есть характеристика тела самого по себе, а выражает отношение тела к определенной системе отсчета и имеет смысл лишь в связи с ней. Аналогично дело обстоит и с временным промежутком. Данная зависимость становится заметной лишь при околосветных скоростях.
В СТО исчезли прежние абсолютные величины классической физики (длина и временной промежуток); они стали относительными. Зато появились новые абсолюты: скорость света и единый пространственно-временной континуум.
Из СТО вытекает ряд следствий:
• закон сложения скоростей: при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света;
• зависимость массы тела от скорости его движения;
• взаимосвязь массы и энергии, выраженная в формуле E=mc2.
В 1916 году была опубликована общая теория относительности Эйнштейна, или теория тяготения. Эйнштейн обобщил СТО на ускоренные системы, ограничил применимость постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь, расширил принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ОТО он исходил из эквивалентности гравитационных и инерционных масс, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Принцип эквивалентности носит локальный характер и справедлив лишь в бесконечно малых областях пространства-времени. Однако это не помешало Эйнштейну сформулировать общий принцип относительности, утверждающий ковариантность законов природы в любых системах отсчета.
Все это потребовало иной, более общей формулировки законов физики, а также изменения представлений о геометрии пространства.
Долгое время в науке господствующей выступала геометрия, чьи постулаты были сформулированы Евклидом. Он выдвинул аксиомы геометрии для пространства с нулевой кривизной, в которой сумма углов треугольника равна 180° (рис. 1а). Евклидова геометрия реализуется на плоскости.
Однако затем были предложены другие геометрии. Так, Б. Риман представил пространство с положительной кривизной (сумма углов треугольника больше 180°) в виде сферы (рис. 1б).
Н. Лобачевский и Я. Больяй представили геометрию с отрицательной кривизной (сумма углов треугольника меньше 180°) в виде псевдосферы (рис. 1в).
Лобачевский и Риман считали, что разрешить вопрос о том, какова действительная геометрия нашего мира, могут лишь физические эксперименты. Эйнштейн в ОТО «офизичил» неевклидову геометрию. Под действием гравитационных полей метрика пространства становится неевклидовой. Эйнштейн подтвердил идеи римановой геометрии. Он связал геометрию и тяготение воедино. Метрические характеристики реального мира зависят от гравитационных полей. Луч света, обладающий энергией, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения (впоследствии данный теоретический вывод Эйнштейна нашел экспериментальное подтверждение). Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной.
Вокруг общей теории относительности до сих пор не затихают споры. Сторонники этой теории в качестве решающих доказательств ее справедливости выдвигают экспериментальное подтверждение важнейших следствий общей теории относительности. Так, биографы Эйнштейна считают самым сильным эмоциональным событием за всю научную жизнь Эйнштейна, а может быть, и за всю его жизнь объяснение поворота орбиты Меркурия с помощью общей теории относительности.
Другим важным следствием общей теории относительности является следующее предсказание: лучи света, проходящие вблизи Солнца, обязаны искривляться. Опыты, проведенные во время солнечных затмений в 1919 и 1922 годах, показали полное совпадение с выводами общей теории относительности.
Эффекты общей теории относительности в Солнечной системе малы из-за относительно слабого гравитационного поля Солнца, что ограничивает рамки возможных экспериментов. Общая теория относительности получила, таким образом, экспериментальное подтверждение лишь для слабого гравитационного поля, на что и указывают скептики.
Итак, согласно ОТО, все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы, а пространственно-временны¢е свойства окружающего мира зависят от расположения и движения тяготеющих масс. Эйнштейн показал, что движение в поле тяготения вызывается не действием особых гравитационных сил, приложенных к движущимся телам, а представляет движение по инерции, но в неевклидовом пространстве. В ОТО не только пространство и время по отдельности, но и пространственно-временнуй континуум лишаются абсолютности.
В дополнение к реляционной концепции сформулируем основные свойства пространства и времени:
• пространство и время объективны, т.е. существуют независимо от сознания людей и их познания, они связаны с материей как формы координации материальных объектов;
• они являются универсальными, всеобщими формами бытия материи, отсюда ничто не может существовать вне времени и пространства;
• пространство трехмерно, т.е. положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин (координат); в прямоугольной декартовой системе координат — это X, У, Z (длина, ширина и высота), в сферической системе координат — это будут радиус-вектор r и углы a и b, в цилиндрической системе — высота Z, радиус-вектор r и угол j; наряду с трехмерным пространством в науке используется и понятие многомерного (n-мерного) пространства; реальное пространство трехмерно, а понятие n-мерного пространства — пример математического обобщения, математической абстракции;
• необратимость времени и его одномерность. Одномерность времени означает, что для фиксации положения объекта во времени достаточно одной величины — промежутка времени t, протекшего от начала отсчета (t=0). Время необратимо течет от прошлого через настоящее в будущее. В нашей литературе наиболее распространена точка зрения, согласно которой необратимость времени выводится из причинности, так как причина всегда предшествует следствию. Хотя некоторые авторы не согласны с такой трактовкой, утверждая, что речь должна идти не о дедукции одной категории из другой, а о том, находит ли необратимость времени выражение в фундаментальных естественнонаучных законах; так, в макроскопических процессах данная необратимость находит свое выражение в законе возрастания энтропии (для микромира также характерна физическая неэквивалентность двух направлений времени, связанная с процессом взаимодействия квантового объекта с классическим объектом);
• однородность времени, а также однородность и изотропность пространства; однородность пространства означает равноправие всех его точек; изотропность — равноправие всех возможных направлений; однородность времени проявляется в равноправии всех его моментов. Перечисленные свойства связаны с фундаментальными законами физики — законами сохранения: симметрии относительно сдвига времени (т.е. однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (т.е. однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии относительно поворота координатных осей (т.е. изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса (углового момента). Данные свойства пространства и времени лежат и в основе галилеевского принципа относительности, и в основе специальной теории относительности.
В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени (например, особенности пространственно-временных параметров органического мира характеризуют биологическое пространство и время, психологическое связано с особенностями психологического восприятия пространства и времени, а социальное описывает особенности хронотопа социальных явлений и процессов).
Поможем написать любую работу на аналогичную тему