Раздел: пространство. Время. Симметрии
Часть 1. КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ. Концепции пространства и времени являются фундаментальными ЕН концепциями, так как наука изучает изменения, а все изменения проходят в пространстве и времени.
Развитие представлений о пространстве и времени
Начиная с античности и до 16 века мыслители задумывались над проблемами пространства и времени, однако их рассуждения носили стихийный характер. Древнегреческие атомисты Демокрит и Левкипп учили, что два необходимых и независимых начала мироздания – это атомы, из которых все состоит, и пустота, в которой они находятся и движутся. Таким образом, у атомистов пустое пространство существует в том же смысле, что и атомы. Аристотель, не разделявший атомистического мировоззрения, считал, что пустоты нет, пространство и время сами по себе не существуют, а являются лишь характеристиками взаимного положения материальных тел и мерой их движения. Аристотель представлял себе Вселенную как шар, в котором заключена движущаяся материя. За границами этого шара, согласно Аристотелю, пространства и времени нет. Согласно другим древним представлениям, зафиксированным в Библии, время имело начало (сотворение мира) и будет иметь конец (конец света), то есть является ограниченным, конечным.
Научные концепции пространства и времени – это классические представления ньютоновской механики и две теории относительности Эйнштейна – СТО и ОТО.
2. Строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в классической механике Нового времени (17 век). Ньютон предложил различать абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел. Относительное время есть постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Это — минута, час, день, месяц, год.
Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно всегда остается одинаковым, неподвижным, бесконечным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела. Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно. Абсолютное время можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел. С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности.
Понятия абсолютного пространства и времени лежат в основе принципов и законов классической механики: 3 законов Ньютона и закона всемирного тяготения.
Несколько особняком в классической механике выглядит принцип относительности Галилея: «все законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета». Классический принцип относительности Галилея заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Для путешественника, плывущего на корабле, книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем. В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем. Понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Галилей ввел понятие ИСО. Инерциальная система отсчета (ИСО) – это СО, в которой соблюдается принцип инерции: все свободные тела (то есть такие, на которые не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется) движутся прямолинейно и равномерно или покоятся. Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является ИСО.
2.5. (Промежуточная ситуация между Ньютоновскими представлениями о пространстве и времени и эйнштейновскими). В ХIХ в. Джеймс Максвелл разработал теорию эектромагнитного поля. Так сложилась электромагнитная картина мира, в которой появились представления о втором виде материи1 – электромагнитном поле, а также о свете как ЭМ волне. В ЭМ картине мира выяснилось, что в отличие от скоростей обычных тел, скорость света не зависит от скорости движения источника света или его приемника. Это нарушает закон сложения скоростей в классической механике, согласно которому например, если человек идет по плоту, плывущему по реке, то для того чтобы измерить скорость отн-но неподвижного наблюдателя, надо прибавить скорости плота и человека. Таким образом, казалось, что свет распространяется в какой-то особой среде, выделенной системе отсчета, которую признали в то время эфиром. Эфир в отличие от пространства может взаимодействовать с веществом. Сторонники ньютоновских представлений о том, что существует лишь вещество и пустота, что все системы отсчета равноправны, сомневались в существовании эфира.
Опыт Майкельсона-Морли.. В 1887 г. американские физики Альберт Майкельсон и Генри Морли провели эксперимент, призванный доказать скептикам, что эфир реально существует и служит средой, в которой распространяются свет и прочие эм волны. Они решили подтвердить существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра». Действительно Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км в сек. Значит скорость света (с=300 000 км/с) должна быть меньше на 30 км/с в одном направлении и больше на 30 в другом направлении. Майкельсон и Морли не обнаружили зависимости скорости света от движения Земли. Результат опыта был отрицательным. Эфирного ветра, эфира, «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. Ожидаемые результаты опытов основывались на представлении, что скорость движения световой волны относительно эфира и скорость движения наблюдателя относительно эфира складываются по классическому закону сложения скоростей, который напрямую следует из классических (ньютоновских) представлений о пространстве и времени. Опыт М-М показал также неприменимость классического закона сложения скоростей при больших скоростях