§1 Пространство и время в макромире

Человек - макроскопическое существо. Его деятельность ограничена миром средних масштабов. Так как понятие пространства одно из самых фундаментальных, то его очень трудно определить.

Все тела имеют некоторую протяженность и занимают некоторое определенное положение относительно друг друга. Эти наиболее общие свойства материальных тел в результате многовековой практической деятельности людей отразились и закрепились в их сознании в виде понятия о пространстве. Математическое описание его свойств дается геометрией в виде системы геометрических понятий – прямая, плоскость, угол, различные геометрические фигуры и связи между ними.

Существуют различные геометрии. Жизненный опыт человека подтверждает геометрию Евклида. По современным научным данным известно, что геометрию Евклида можно применять на расстояниях от 10^-16 м (это размеры атомного ядра и меньше) до 10²⁶ м (размеры видимой части Вселенной). Понятие пространства – это отражение в сознании человека материальности мира. Без материальных тел это понятие бы не возникло.

Классическая механика исходит из следующих свойств пространства:

1.Пространство существует изначально и ничем в мире не порождается.

2.В пространстве “вмещаются” все тела природы, в нем происходят все явления, но оно не испытывает на себе никакого их воздействия.

3.Пространство однородно и изотропно.

4.Пространство не изменяется с течением времени.

5.Пространство безгранично.

6.Пространство трехмерно.

7.Пространство описывается геометрией Евклида.

Каждое из свойств пространства, используемых в классической механике, не противоречит ни повседневному опыту человека, ни экспериментам в классической механике.

Под однородностью пространства понимают эквивалентность (равнозначность) любых точек пространства и говорят о симметрии пространства по отношению к сдвигу начала координат. В пространстве нет таких точек, которые обладали бы какими-то особыми свойствами. Это проявляется в том, что явление, которое произошло в данной области пространства, может повториться без изменения в другом месте. Необходимо лишь, чтобы совокупность факторов, обуславливающих ход процесса (явления), осталась той же.

Свойство однородности пространства позволяет сравнивать результаты одинаковых экспериментов, проведенных в разных лабораториях земного шара. Однородность пространства (симметрия пространства по отношению к сдвигу начала координат) приводит к закону сохранения импульса для механической системы (системы тел)- .

Для выполнения закона сохранения импульса необходимо, чтобы система была замкнутой. Если система тел помещена во внешнее силовое поле, то различные области пространства будут физически неэквивалентны. Однако, если исследуемую систему расширить и включить в нее тела, поля которых воздействуют на систему, то импульс такой расширенной системы будет сохраняться.

Под изотропностью пространства понимают эквивалентность (равнозначность) любых направлений в пространстве и говорят о симметрии пространства по отношению к повороту осей координат относительно начала координат. В пространстве нет направлений, по которым пространство обладало бы какими-то особыми свойствами. Установку, агрегат, лабораторию можно повернуть в любом направлении, и при этом все процессы будут протекать так же, как и до поворота. Но повернуто должно быть все, что определяет течение данного процесса.

Изотропность пространства (симметрия пространства по отношению к повороту осей координат) приводит к закону сохранения момента импульса для механической системы (системы тел)-

Этот закон выполняется только в замкнутых системах тел. Необходимость замкнутости системы для сохранения момента импульса объясняется теми же причинами, что и для сохранения импульса.

Дальнейшее развитие физики, в частности, создание теории относительности, привело к коренному пересмотру представлений ученых о пространстве.

Окружающий нас мир находится в процессе постоянных изменений. События следуют в определенной последовательности, каждое из них имеет определенную длительность. В мире происходит постоянное развитие. Эти общие свойства развивающегося, изменяющегося мира в сознании человека отразились в виде понятия времени.

Под временем понимается свойство материальных процессов иметь определенную длительность и следовать друг за другом в определенном порядке. Таким образом, время не может быть отделено от материи и ее движения. Свойства времени в классической механике определяются следующим образом:

1.Время существует изначально и ничем в мире не порождается.

2.Ходу времени подчиняются все процессы в природе, но они не оказывают никакого воздействия на ход времени.

3.Все моменты времени между собой равноправны и одинаковы – время однородно.

4.Ход времени всюду и везде в мире одинаков.

5.Ход времени одинаково равномерен в прошлом, настоящем и будущем.

6.Время простирается от настоящего неограниченно назад в прошлое и неограниченно вперед в будущее.

7.Время обладает одним измерением.

8.Промежутки времени отмеряются, складываются и вычитаются, как отрезки евклидовой прямой.

Все перечисленные свойства времени представляются так же естественными и очевидными. Каждое из свойств времени, используемых в классической механике, не противоречит ни повседневному опыту, ни экспериментам в классической механике.

Под однородностью времени понимают физическую эквивалентность (равноценность) разных его моментов и говорят о симметрии времени по отношению к сдвигу начала отсчета. Любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в различные моменты времени, протекают совершенно одинаково. Благодаря однородности времени, можно сравнивать результаты экспериментов, которые были проведены в прошлом или будут проведены в будущем.

Однородность времени (симметрия по отношению к выбору начала отсчета времени) приводит к закону сохранения энергии (W=const.). Этот закон сохранения выполняется для систем, находящихся в неизменных по времени внешних условиях. Стационарность условий обеспечивается тем, что системы должны быть замкнуты и аддиабатически изолированными, а действие сил вызывается только потенциальными полями. Выбор начала отсчета времени несущественен.

Дальнейшее развитие физики, в частности создание теории относительности, привело к коренному пересмотру представлений ученых о времени.

Трехмерность пространства и одномерность времени, их непрерывность, необратимость времени в теории относительности просто постулируются. Остается неясным, почему пространство и время обладают именно данными свойствами, а не какими-нибудь другими.

С современной точки зрения, макроскопическое пространство-время играет важную роль во всем человеческом опыте и познании и может рассматриваться как псевдоэвклидово пространственно-временное многообразие специальной теории относительности с выделенной временной координатой. При этом концепция абсолютности пространства и времени Ньютона не опровергается полностью теорией относительности. Макроскопическое пространство-время рассматривается в достаточно малых областях, в которых в значительной степени не проявляется деформации пространственно-временного многообразия.

Но понятием макроскопического пространства-времени, несмотря на всю его важность, нельзя ограничиваться. Следует учитывать возможное существование и других пространственно-временных форм и отношений в микро- и мегамире.

Вопросы для самоконтроля:

1.Какие свойства материальных тел характеризуют понятием о пространстве?

2.Какие свойства пространства рассматриваются в классической механике?

3. Что понимают под однородностью пространства?

4. Что понимают под изотропностью пространства?

5.Какие свойства физических процессов характеризуют понятием о времени?

6. Какие свойства времени рассматриваются в классической механике?

7.Что понимают под однородностью времени?