Концепции пространства и времени в современном естествознании

Материя. Структурность и системность материи

Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире; существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать такие различные макроскопические тела, все космические системы мегамира. С этой точки зрения структура материи проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой. В доступных нам масштабах структурность материи прослеживается в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем:

Метагалактика - отдельная галактика - звездная система - планета - отдельные тела - молекулы - атомы элементарные частицы.

Наряду со структурностью неотъемлемым свойством материи является ее системность. Система - это внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, проявляющая себя как нечто, единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.

Не только отдельные физические системы, но и мир в целом стал рассматриваться:

- КАК ЕДИНОЕ ЦЕЛОЕ,

Исходный тезис холизма так и звучал: части целого взаимосвязаны таким образом, что они не могут быть изучены в изоляции – по крайней мере, не могут, если кто-либо хочет знать, как они себя ведут в целом.

- КАК ДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС,

Природа реальности должна быть «понята как взаимосвязанное целое, которое никогда не является статическим или завершенным и представляет собой бесконечный процесс движения и развертывания».

- КАК САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ СИСТЕМА,

Система организует саму себя в процессе прогрессивной дифференциации, эволюционируя от состояния простой системы к состоянию более высокого уровня сложности.

- КАК ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩАЯ СИСТЕМА,

Одной из главных особенностей современной теории динамических систем является то, что в ней учитываются эволюционные процессы, вводится фактор времени. Динамика развития сложных систем представлена не одной траекторией, а набором возможных траекторий развития, лишь одна из которых реализуется.

- КАК СЛОЖНЫЙ ОБЪЕКТ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ,

В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объёма и протяжённости. Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в специальнойтеории относительности А. Эйнштейна.

Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован ещё Галилеем для механических явлений: во всех инерциальных системах отсчёта движение тел происходит по одинаковым законам. Инерциальными называются системы отсчёта, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно (корабль, книга, точка отсчёта). Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а Эйнштейн использовал его для создания СТО.

СТО включает 2 постулата:

1) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме всегда постоянна, независимо от движения источника или приёмника света;

2) принцип относительности: в 2 системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить прямолинейное и равномерное движение;

Главным отличием СТО от положений классической механики стал принцип относительности одновременности. В классической физике полагали, что можно запросто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал неверность такого представления. События, которые являются одновременными для одного наблюдателя, не одновременны для другого наблюдателя, движущегося относительно первого.

Из относительности одновременности следуют революционные выводы: прежде всего признание относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно. Однако то, что одновременно для неподвижного наблюдателя, уже не одновременно для движущегося. Поэтому и длина тела, измеренного различными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна. То же касается времени.

Итак, в СТО размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер и приобретают статус относительных величин. И Эйнштейн делает вывод о необходимости изменения пространственных отношений, вырабатываемых классической физикой. Кроме того, Эйнштейн получает релятивистскую формулу сложения скорости; показывает, что масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определённое соотношение:

Е=mc ²;

Масса тела есть мера содержащейся в ней энергии.

Создание ОТО. После создания СТО вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы. Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения – распространения принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем.

Постулаты ОТО:

1) общий принцип относительности: не только скорость, но и ускорение не имеет абсолютный характер, а значит возможна формулировка законов физики таким образом, чтобы они имели смысл в отношении любой системы координат.

2) расширенный принцип эквивалентности: Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полем тяготения, которая справедлива для механики, возможно распространить на оптические и вообще любые физические явления.

При построении ОТО Эйнштейн использовал понятия и математический аппарат неевклидовых геометрий. Эйнштейн исходил из того, что пространственно-временной континуум носит риманов характер, т. е. искривлён. Но кривизна эта непостоянна и изменяется от точки к точке, определяется полем тяготения (Лист резины и металлические шарики). ОТО установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже Солнце оказывает замедляющее действие на распространение радиосигнала (0,0002 с). Одно из самых фантастических предсказаний ОТО – полная остановка времени в очень сильном поле тяготения.

В ОТО Эйнштейн вывел общее уравнение гравитационного поля. Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют собой систему из 10 уравнений. В отличие от теории тяготения Ньютона, где есть 1 потенциал гравитационного поля (он зависит только от плотности массы), в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.

Кардинальное отличие ОТО от предшествующих ей фундаментальных физических теорий в отказе от ряда старых понятий и формулировке новых. Так, ОТО отказывается от понятий “cила”, “потенциальная энергия”, “инерциальная система”, “евклидов характер пространства - времени” и др. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики производства времени, допускает возможность гравитационных волн (хотя до сих пор их экспериментально обнаружить не удалось).

Экспериментальная проверка ОТО. Первый успех ОТО заключается в объяснении открытой ещё в 1859 году и непонятной с точки зрения классической теории дополнительной скорости движения перигелия Меркурия (около 43” в столетие) под влиянием гравитационного поля Солнца. (Это обусловлено искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца).

В ОТО был получен новый фундаментальный результат: скорость света не постоянна, она изменяется, когда свет проходит поля тяготения, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от взаимного направления распространения света и направления сил тяготения. Большое значение для широкого признания ОТО имели опыты по измерению отклонения лучей света, проходящих около Солнца. Затмение 22 мая 1919 г. представило особенно благоприятный случай для таких опытов. Были сформированы 2 экспедиции: в Бразилию (Собрал) и на о. Принсии (вблизи Африки). Результаты экспедиций были положительными. Новые измерения в 1922 г. Также подтвердили существование эффекта, предсказанного теорией Эйнштейна.

Другой результат ОТО – наличие красного смещения в спектрах небесных тел – подтверждён опытами в 1923-26 г.г. при наблюдении спектров Солнца и обладающего чрезвычайно большим полем тяготением спутника Сириуса.

Дата добавления: 2014-12-07