- •Содержание
- •2.2. Трансдисциплинарная идея моделирования природы
- •2.3. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения
- •2.4. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе
- •2.5. Трансдисциплинарная идея целостности природы
- •2.6. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности
- •2.7. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы
- •3.1.2. Концепция единого пространства-времени.
- •3.1.3. Концепция моделирования объектов
- •3.1.4. Концепция контролируемого воздействия.
- •3.1.5. Специфика классических моделей химии и биологии
- •3.2. Образ природы в неклассическом естествознании
- •3.2.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •3.2.2. Концепция моделирования состояний
- •3.2.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •3.2.4.Концепция макросостояний объектов
- •3.2.5. Концепция флуктуации и их корреляций
- •3.2.6. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •Лекция №4.
- •4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц
- •4.1. Проблема измерения в классическом естествознании
- •4.2. Единицы измерения и системы единиц
- •4.3. Возникновение систем мер.
- •4.4.Возникновение и распространение метрической системы мер.
- •4.5. Эталоны.
- •4.6. Атомные часы.
- •Лекция №5.
- •5.1. Временные отношения в природе
- •5.2. Пространственные отношения в природе
- •5.3. Движение частицы. Взаимосвязь Пространства и времени
- •5.4. Целостное описание пространства-времени
- •Лекция №6.
- •6.1. Моделирование
- •6.2. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.
- •6.3. Фундаментальные физические модели объектов
- •6.4. Масса как универсальная характеристика инертности и гравитаци.
- •6.5. Импульс как фундаментальная характеристика объекта
- •6.6. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта
- •6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
- •Лекция №7.
- •7.1. Воздействие и взаимодействие
- •7.2. Характеристики контролируемого воздействия на частицу
- •7.3. Фундаментальные силы
- •7.4. Механическая энергия и динамика частицы
- •7.5. Энергия взаимодействия в системе частиц
- •Лекция №8.
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •8.2. Концепция моделирования состояний
- •8.2.1. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний
- •8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики
- •Лекция №9.
- •9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы
- •9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •Лекция №10.
- •10.1. Тепловое равновесие как макросостояние.
- •10.2. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы
- •10.3. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии
- •10.4. Два способа описания природы на макроуровне.
- •Лекция №11.
- •11.1. Флуктуации и их роль в описании природы
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
- •11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
- •Лекция №12.
- •12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
- •12.1. Свойство сверхпроводимости
- •12.2. Изотопический эффект
- •12.3. Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода
- •12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость
- •Лекция №13.
- •13. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.
- •13.2. Явление Джозефсона.
- •Лекция №14.
- •14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики
- •14.1. Краткая история жизни знаменитого ученого. Научные достижения
- •14.2. Предыстория вопроса
- •14.3. Открытие Мёссбауэра
- •14.4. Природа эффекта
- •14.5. Мёссбауэровские изотопы
- •14.6. Общие применения метода
- •14.7. Применение эффекта Мессбаура для изучения свойств поверхности и объема кристаллов
- •14.8. Химические применения метода
- •14.9. Выводы
- •Лекция №15.
- •15.1.Общие сведения.
- •15.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории
- •15.3. Эффект Холла в ферромагнетиках.
- •15.4. Эффект Холла в полупроводниках
- •15.5. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках
- •15.6. Датчик эдс Холла
- •Лекция №16.
- •16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша.
- •16.1. Инерционный метод измерения заряда. История открытия электрона
- •16.2. Метод магнитной фокусировки Буша
- •16.3. Опыт Милликена
- •Лекция №17.
- •17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи
- •17.2. Дробовый эффект
- •17.3.Критерий устойчивости Найквиста. Формула Найквиста
- •17.4. Естественные пределы точности измерений
- •17.5. Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений
- •17.6. Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей
- •17.7. Броуновское движение
- •Список используемой литературы:
5.4. Целостное описание пространства-времени
Согласно правилу сложения скоростей Галилея, скорость частицы всегда можно сделать малой, перейдя в движущуюся инерциальную систему отсчета. Но следует помнить, что окружающая нас природа воспринимается человеком непосредственно в двух качественно различных формах – в виде вещества и света. Согласно Аристотелю, свет распространяется мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью, так что до 17 века вопрос о справедливости закона преобразования скоростей для света и не возникал. В конце 17 века было установлено, что свет распространяется с конечной, но очень большой скоростью – около 300 тысяч километров в секунду. В конце XIX века удалось поставить очень точные эксперименты по измерению скорости света в различных движущихся системах отсчета. Они показали, что вопреки закону сложения скоростей Галилея скорость света в различных ИСО (неподвижных и движущихся) одна и та же.
Осознание этого факта привело А. Эйнштейна к формулировке двух фундаментальных принципов физики, составляющих основу объективного описания природы. Согласно первому из них – принципу относительности – все фундаментальные законы природы имеют одинаковый вид в любой ИСО, неподвижной или движущейся. Иначе говоря, никакими опытами нельзя отличить систему отсчета, движущуюся равномерно и прямолинейно, от покоящейся системы отсчета. Согласно второму принципу – принципу постоянства скорости света – скорость света одинакова во всех ИСО и является предельной возможной скоростью распространения материальных объектов.
Поскольку скорость – это фактически геометрическая характеристика угла наклона касательной к траектории движения, то оказывается, что в соответствующем четырехмерном пространстве-времени уже несправедлива знаменитая теорема Пифагора (в этом пространстве промежуток времени и расстояние оказываются относительными к выбору ИСО, движущимся с большими скоростями). Неизменным (инвариантным) относительно выбора любых ИСО оказывается только особая величина – пространственно-временной интервал между событиями , связывающий воедино момент времени и геометрические координаты событий. В простейшем случае для двух событий, разделенных промежутками времени t и расстоянием х он представляет собой следующую комбинацию: .)
В едином пространстве-времени длина движущегося тела в направлении движения должна уменьшаться, а период движущихся часов – увеличиваться, что принято называть эффектами «сокращения длины» и «замедления времени». Они наблюдаются на опыте, причем замедление времени было обнаружено непосредственно в распадах элементарных частиц и в экспериментах на самолетах и ракетах, а сокращение длины, главным образом, косвенно. Учет соответствующей поправки, которой можно пренебречь в пределе малых скоростей, позволяет пользоваться также и движущимися часами. Как оказалось позже, эти эффекты не являются экзотикой. Именно с сокращением длины связано возникновение магнитного поля вокруг проводников с электрическим током.
Более того, в едином пространстве-времени оказывается относительным понятие одновременности удаленных событий. Так, два события, одновременные в одной системе отсчета, могут быть неодновременными в другой. Однако порядок «раньше-позже» сохраняется во всех ИСО для всех событий, которые могут быть связаны сигналом. Наконец, здесь возникает иное правило преобразования скоростей, отличное от простого сложения. Его применение не противоречит принципу постоянства скорости света в любых ИСО. И оно также находит экспериментальные подтверждения.
Максимально объективное описание природы, независящее от выбора конкретной ИСО, требует признать концепцию единого пространства-времени. Сложное и тонкое переплетение этих категорий открывает путь к последовательному описанию самых фундаментальных представлений о природе.
Соответствующие четырехмерные скаляры принято называть просто инвариантами. Примерами таких инвариантов, помимо интервала между событиями, могут служить масса и электрический заряд. Что касается четырехмерных векторов, то они представляют собой комбинации ряда величин, являющихся скалярами и векторами в трехмерном пространстве. Так, четырехмерный вектор расстояния объединяет в себе промежуток времени (скаляр) и трехмерный вектор расстояния. Аналогично, четырехмерный вектор энергии-импульса объединяет трехмерный скаляр – энергию и трехмерный вектор – вектор импульса. Это значит, что данные величины по отдельности характеризуют объект только в фиксированной СО, а в совокупности они образуют единую фундаментальную физическую величину, имеющую смысл во всех ИСО.
Таким образом, концепция единого пространства-времени Эйнштейна противостоит представлениям Ньютона о бесконечной протяженности в виде абсолютного пространства, вмещающем материю, и равномерной длительности в виде абсолютного времени, в котором все возникает и исчезает. Именно эта концепция позволила сформулировать взгляд на природу в рамках классической стратегии познания и создать основание для единого описания частиц или электромагнитного поля. Она основана на достоверных экспериментальных фактах и охватывает самые общие формы бытия материи. Многообразие пространственно-временных отношений проявляется на всех структурных уровнях материи как в классической, так и в неклассической физике.
Контрольные вопросы:
Какое первое свойство пространства и времени? В чем оно заключается?
Назовите второе свойство пространства и времени. Его следствие.
Что называется пространственными координатами?
Что может выступать в роли системы отсчета (СО)?
Назовите первый фундаментальный закон природы.
В чем заключаются эффекты «сокращения длины» и «замедления времени»?
С каким эффектом связано возникновение магнитного поля вокруг проводника с электрическим током?
Что такое изотропность пространства?