Зміст

Вступ

Розділ І. Розвиток уявлень про простір і час від античних часів до Ньютона.

І.1. Основні поняття і деякі визначення

І.2. Еволюція поглядів про простір і час від Анаксімандра до Ньютона

І.3. Основні властивості простору і часу за класичною фізикою

Розділ ІІ. Простір і час в теорії відносності А. Ейнштейна.

ІІ.1. Спеціальна теорія відносності і діалектика абсолютного та відносного в концепції простору і часу

ІІ.2. Простір і час у загальній теорії відносності та в релятивістській космології

Розділ ІІІ. Простір і час у фізиці мікросвіту

ІІІ.1. Просторово-часові уявлення квантової механіки

ІІІ.2. Перервність і неперервність простору і часу у фізиці

мікросвіту……………………………………………………………..

Вступ

Простір і час є фундаментальними фізичними і філософськими поняттями, відображення яких у нашій свідомості пов’язане з існуванням матерії і її руху як природних реальностей. Поняття простору і часу не може бути зведене до простіших. Разом з уявленнями про матерію і її рух вони є вихідними, основними, первородними, і такими на основі яких будується фізична картина навколишнього світу. Фізичні, хімічні та інші величини безпосередньо і опосередковано пов'язані з вимірюванням довжин і тривалості, тобто просторово - часових характеристик об'єктів. Тому розширення і поглиблення знань про світ пов'язано з відповідними навчаннями про простір і час.

Науковий світогляд ґрунтується на тому, що різноманітні явища у світі є різними видами рухомої матерії, яка не може рухатися інакше, ніж у просторі й часі. Стосовно фізики це означає, що всі фізичні явища і процеси протікають у просторі й часі, тому пояснити і зрозуміти природні процеси без наукового розуміння простору і часу неможливо. Від правильного розуміння простору і часу в значній мірі залежить світогляд людини, розуміння нею оточуючого світу. Але, як показує практика, ці фундаментальні фізичні поняття важко формуються у свідомості людини.

Уявлення про простір утворюються у нашій свідомості зі спостережень того, що кожне тіло займає певне положення відносно інших тіл, має розміри, об’єм, форму, просторову структуру, тобто відповідний характер розміщення структурних елементів у просторі, який безперервно змінюється внаслідок руху матерії. Зміни, що відбуваються з окремими матеріальними об’єктами, або процеси чи явища виникають у певний момент часу, протікають протягом певного інтервалу часу. Саме таким чином будувались уявлення про ці фундаментальні категорії у стародавніх вчених. На основі своїх спостережень вони формували первинні знання про простір і час. Але, внаслідок диференціації сприйняття органами чуттів оточуючого світу, у стародавніх вчених склалося враження про існування окремо простору, як вмістилища всіх матеріальних об’єктів, та окремо часу як міри тривалості будь-яких процесів.

Нажаль більшість людей на сьогодні мають аналогічні уявлення про простір і час. Виникає проблема – у людей формується неправильне бачення фізичної картини світу. Звідси, як наслідок, невірне трактування природних законів та процесів. Дана проблема досить актуальна на сьогодні, адже не знаючи ні історії розвитку понять простору і часу, ні сучасних уявлень про ці фундаментальні категорії, ми не можемо в повній мірі говорити про достовірність теперішніх здобутків в області фізики та про їх істинність у майбутньому.

Однією з цілей даної роботи є аналіз історії розвитку поглядів на простір і час. Досить важливим є розгляд цього питання крізь призму часу. Як казав М. Горький: «Не знаючи минулого, неможливо зрозуміти справжній сенс теперішнього і цілі майбутнього».

На сьогоднішній день є підстави вважати, що наші знання про простір і час не повністю відповідають дійсності. Уявлення про матерію, її рух, простір і час, а разом з тим і про світ у цілому та окремі його частини, його властивості чи прояви із розвитком науки змінювались, уточнювались, конкретизувались. Не можна гарантувати, що сучасні знання про ці фундаментальні фізичні реальності є істинами в останній інстанції. В даній роботі буде розглянуто поняття про простір і час у сучасній космології та фізиці мікросвіту. Як виявляється, наші знання про простір і час виходять на новий рівень при розгляді чорних дір, а при заглиблені всередину атома- взагалі втрачають будь-який зміст.

Розділ І. Розвиток уявлень про простір і час від античних часів до Ньютона.

І.1. Основні поняття і деякі визначення.

Поняття, що вміщає в собі слово «час», настільки різні та такі далекі за змістом один від одного, що іноді не дуже й віриться в їхню генетичну спорідненість. У залежності від обстановки, почувши слово «час», можна уявити і вічність - щось незрозуміле, але величезне і нерухоме, як застиглий туман, у якому плавають-ворушаться всі тіла і всі події, але можна і просто подивитися на свої ручні годинники ...

Нам потрібно хоча б у першому наближенні узгодити основні поняття. Напевно, перш за все, при самому глобальному підході, час - це «основна, поряд із простором, форма існування матерії». Тобто час безумовно пов'язаний з матерією, а матерія обов'язково проявляється в часі. [4, с.10].

Час визначає, в який момент, в якій послідовності і з якою інтенсивністю відбувається зміна подій. Так трактують слово «час» сучасні словники. От у цьому сенсі термін «час» і вживається в подальшому в тих випадках, коли про час йдеться взагалі, коли немає уточнюючих і звужуючих визначень і коли інше не випливає з контексту.

На певному етапі розвитку знань з'явилося дуже важливе поняття «власний час» тіла, що свідчить про те, що за певних умов одне і те ж тіло може мати різний час. Відповідно до теорії відносності власним часом називається тривалість подій, що відбуваються в певному місці, яка вимірюється за годинником, що знаходяться в цьому ж місці. Іншими словами, «час, який розраховується за годинником, що рухається разом з цим об'єктом, називається власним часом цього об'єкта».

Момент часу - це тимчасова координата, що відповідає певній події.

Подія - це щось, що відбувається в певній точці простору і в певний момент часу.

Тимчасова тривалість між двома встановленими моментами часу (двома певними подіями) визначає інтервал часу.

Є подія, наприклад - схід сонця. Нехай ця подія трапляється три роки поспіль в один і той же день першого січня. Якщо між першим і другим сходом тривалість буде більше, ніж між другим і третім, то це значить, що часовий інтервал між сходом Сонця з роками зменшується, а темп (або хід) часу, що визначає настання цих подій, відповідно зростає. (Якщо вважати, що Земля обертається строго рівномірно і що всі інші фактори, що впливають на схід Сонця, - незмінні.).

Таким чином, під темпом часу ми розуміємо швидкість здійснення послідовних подій. Темп часу - величина завжди відносна. Темп власного часу різних тіл може бути порівняний і з локальним часом іншого тіла, і з усередненим часом системи, в яку входить тіло, і з якимось прийнятим еталонним часом. Але завжди - це зіставлення тривалості однієї секунди з тривалістю іншої. Іншими словами, темп часу - це інтенсивність часу в порівнянні з «іншим» часом, інтенсивність, яка характеризується частотою подій в системі.

Власний час будь-якої матеріальної системи визначається через покази годинника, що фіксує інтервали часу між певними послідовними подіями, але залежить власний час завжди від темпу часу в системі. Коли йдеться про те, що в якійсь матеріальній системі час сповільнюється або прискорюється, то мається на увазі, що сповільнюється або прискорюється темп часу в цій системі. При цьому власний час при уповільненні темпу часу як би розтягується, тому що збільшуються інтервали часу між подіями (сповільнюється хід годин), а при прискоренні темпу часу, навпаки, - власний час як би стискається (прискорюється хід годинника).

Зазначимо, що темп часу та інтервал власного часу будь-якого тіла (будь-якої системи) пов'язані між собою обернено пропорційною залежністю. Таким чином, чим більше прискорений темп часу матеріальної системи, тим більше стиснутий (стягнутий) власний час в системі і навпаки, чим більш уповільнений темп часу, тим більше розтягнуто власний час. (Якщо там, де ми живемо, значно підвищиться темп часу, то ми будемо швидше рости й раніше старіти і це можна буде помітити з сусідньої локальності. Але якщо темп часу підвищиться в усьому світі, то ми цього не помітимо, так як тривалість всіх процесів також буде скорочена.)

Когерентність - це властивість якогось процесу (явища), що полягає в постійності або закономірному зв'язку між елементами (характеристиками) процесу.

Щодо простору, то сьогодні простір і час розглядаються в єдності, їх координатами визначається будь-яка подія. Простір-час визначають ще й як чотиривимірний простір, точки якого відповідають подіям. Як можна уявити собі викривлення простору-часу? Простір (простір-час) називається викривленим, якщо в ньому неможливо ввести координатну систему, яка може вважатися прямолінійною. Прикладом викривленого простору є сфера. У викривленому просторі виділяють так звані геодезичні лінії. Відстань між двома точками вздовж цих ліній є найкоротшою в порівнянні з будь-якою іншою відстанню між цими ж точками.

З позицій фізичного змісту викривлення простору можна представити так. Будь-який об'єм простору містить у собі щось матеріальне: елементарні частинки, речовина або матеріальні поля. Стан цього об’єму, або по-науковому - просторово-часової локальності, залежить як від взаємодії матерії всередині об’єму, так і від взаємодії цієї локальності із зовнішнім світом (з середовищем). Якщо в цей об’єм помістити будь-яке тіло, то воно, в силу певного стану нашого об’єму, саме буде володіти певним станом, займе певне положення, буде рухатися по певній траєкторії і буде володіти певним власним часом. Якщо тепер відносно недалеко від обраного нами об’єму виявиться масивне притягуюче тіло, то стан нашого об’єму зміниться, тому що в ньому зміниться напруженість гравітаційного поля. Тіло в нашій локальності, у свою чергу, змінить (в загальному випадку) і положення, і швидкість, і темп власного часу. Тобто наш подумки виділений об’єм так зміниться, що умовне тіло, поміщене в нього, змінить і свій стан, і свою поведінку. Якщо скористатися аналогією, то можна уявити собі, що наше тіло спочатку рухалося по рівній поверхні, а потім раптом почало підніматися на пагорб. Змінилася метрика, змінилися показники простору-часу. У подібних випадках з позицій теорії відносності і стверджують, що змінився радіус кривизни простору-часу, відбулося викривлення простору. Як бачимо, у відповідності з теорією відносності кривизна простору-часу визначає стан будь-якої локальності Всесвіту, а радіус кривизни характеризує, яка це кривизна - велика чи мала. Взаємозалежність кривизни простору-часу (кривизни взагалі) і радіуса кривизни можна уявити по аналогії: чим більший гумовий м'яч, тим більший його радіус, але менша кривизна його поверхні.

Теорія відносності стверджує, що за наявності гравітаційного поля простір-час вже не плоский, а викривлений. Чим значніший вплив гравітації на простір-час, тим більша кривизна простору-часу (менший радіус кривизни).

У свою чергу, геометричні параметри простору визнаються внутрішніми властивостями простору, який, таким чином, здатний породжувати гравітаційне поле. Чим більш викривлений простір, тим більше гравітаційне поле він породжує.

Наукове визначення: простір називається викривленим, якщо результат паралельного перенесення вектора з однієї точки в іншу залежить від вибору шляху, по якому проводиться перенесення; мірою кривизни є кут повороту вектора при перенесенні його по замкнутому контуру, віднесений до одиниці площі.

.