Пространство и время в современной научной картине мира

Понятия пространства и времени составляют основу физики. Согласно классической физике, базирующейся на законах Ньютона, физические взаимодействия разворачиваются в бесконечном трёхмерном пространстве — так называемом абсолютном пространстве, время в котором может быть измерено универсальными часами (абсолютное время).

В начале двадцатого века учёные обнаружили в ньютоновской физике некоторые противоречия. В частности, физики не могли объяснить, каким образом скорость света остаётся постоянной вне зависимости от того, движется ли наблюдатель. Альберт Эйнштейн разрешил этот парадокс в своей специальной теории относительности.

В соответствии с теорией относительности, пространство и время относительны — результаты измерения длины и времени зависят от того, движется наблюдатель или нет.

Основываясь на теории Эйнштейна, Герман Минковский создал элегантную теорию, описывающую пространство и время как 4-мерное пространство-время (пространство Минковского). В пространстве-времени расстояния (точнее, гиперрасстояния, так как они включают время как одну из координат) абсолютны: они одинаковы для любого наблюдателя.

Создав специальную теории относительности, Эйнштейн обобщил её в общей теории относительности, включив в рассмотрение гравитацию. Согласно общей теории относительности, массивные тела искривляют пространство-время, что и обуславливает гравитационные взаимодействия. При этом природа гравитации и ускорения одна и та же — мы можем чувствовать ускорение или гравитацию в том случае, если совершаем криволинейное движение в пространстве-времени. Эти эффекты проявляются, к примеру, в необходимости корректировать часы на навигационных спутниках GPS.

Перед современной физикой стоит задача создания общей теории, объединяющей квантовую теорию поля и теорию относительности. Это позволило бы объяснить процессы, происходящие в чёрных дырах и, возможно, механизм Большого взрыва.

Согласно Ньютону, пустое пространство является реальной сущностью (это утверждение иллюстрирует мысленный эксперимент: если в пустой Вселенной мы будем раскручивать тарелку с песком, то песок начнёт разлетаться, так как тарелка будет крутиться относительно пустого пространства). Согласно интерпретации Лейбница-Маха, реальной сущностью являются только материальные объекты. Из этого следует, что песок не будет разлетаться, так как его положение относительно тарелки не меняется (то есть во вращающейся вместе с тарелкой системе отсчёта ничего не происходит). При этом противоречие с опытом объясняется тем, что в действительности Вселенная не пуста, а вся совокупность материальных объектов формирует гравитационное поле, относительно которого крутится тарелка. Эйнштейн первоначально считал верной интерпретацию Лейбница-Маха, однако во второй половине жизни склонялся к тому, что пространство-время является реальной сущностью.

Согласно экспериментальным данным, пространство (обычное) нашей Вселенной на больших расстояниях имеет нулевую либо очень маленькую положительную кривизну. Это объясняют быстрым расширением Вселенной в начальный момент, в результате чего элементы кривизны пространства выровнялись (см. Инфляционная модель Вселенной).

В нашей Вселенной пространство имеет три измерения (согласно некоторым теориям, имеются дополнительные измерения на микрорасстояниях), а время — одно.

Время движется только в одном направлении («стрела времени»), хотя физические формулы симметричны относительно направленности времени^[10], за исключением термодинамики. Одно из объяснений однонаправленности времени основывается на втором законе термодинамики, согласно которому энтропия может только возрастать и поэтому определяет направленность времени. Рост энтропии объясняется вероятностными причинами: на уровне взаимодействия элементарных частиц все физические процессы обратимы, но вероятность цепочки событий в «прямом» и «обратном» направлении может быть разной. Благодаря этой вероятностной разнице мы можем судить о событиях прошлого с большей уверенностью и достоверностью, чем о событиях будущего. Согласно другой гипотезе, редукция волновой функции необратима и потому определяет направленность времени (однако многие физики сомневаются, что редукция является реальным физическим процессом). Некоторые учёные пытаются примирить оба подхода в рамках теории декогеренции: при декогеренции информация о большинстве предшествующих квантовых состояниях теряется, следовательно, этот процесс необратим во времени.

16. Развитие представлений о взаимодействии. Основные виды фундаментальных взаимодействий в природе.16

Взаимодействие-это воздействие тел или частиц друг на друга, которое приводит к изменению состояния их движения.

В Античной натурфилософии взаимодействия рассматривались как одностороннее воздействие движущего на движущее (первоначальная концепция близкодействия).
В механистической картине мира открывается первое фундаментальное взаимодействие (закон всемирного тяготения).
Принимается концепция дальнодействия: взаимодействия передаются в пустом пространстве мгновенно на любые расстояния.
Открывается второе взаимодействие – электромагнитное. Происходит возврат концепции близкодействия (взаимодействие передается только через материального посредника, т.е. через физическое поле с конечной скоростью). Механизм передачи взаимодействия –полевой.
В современной научной картине мира устанавливается 5 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.
Механизм передачи взаимодействия – квантово-полевой, через виртуальные частицы-переносчики взаимодействия.
В структуре материального мира преобладают следующие фундаментальные взаимодействия с объектами:
• На уровне микромира (сильное, слабое, электромагнитное)
• На уровне макромира (электромагнитное)
• На уровне мегамира (гравитационное)
Стабильность объектов, обеспечиваемая конкретным видом взаимодействия:
1)электромагнитное (атом, молекула, вещества)
2)гравитационное (планеты, системы, галактики)
3)сильное (ядра атомов)

Типы фундаментальных взаимодействий в природе. В природе, по современным данным, имеется лишь 4 типа взаимодействий (в порядке возрастания интенсивности): гравитационные взаимодействия(характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы), слабые взаимодействия (отвечающие за распад элементарных частиц), электромагнитные взаимодействия(связано с электрическими и магнитными полями), сильные взаимодействия (обеспечивающие, в частности, связь частиц в атомных ядрах)

17. Развитие представлений о материи. Структура атома с точки зрения современной физики.17

Материя (в широком плане) – это понятие, обозначающее объективную реальность, данную человеку в его ощущениях, которое отражается в его сознании и существует независимо от него.
Представление о материи как физической реальности прошло исторический путь развития.
В древнегреческой философии (натурфилософии) в центре внимания была проблема первоначала природы(на этом этапе рождается абстракция материи).
В механистической картине мира единственной формой матери выступает вещество, состоящее их дискретных корпускул. Основная абстракция классической механики- материальная точка.
В рамках этой картины мира складывается атомно-молекулярное учение в рамках учений о составе вещества.
В рамках электромагнитной картины мира формулируются представления о двух формах материи: вещество и непрерывное электромагнитное поле.
С точки зрения полевой волна выступает как распространяющееся возмущение энергетического поля.
Современная научная картина мира признает 3 формы материи: вещество, физическое поле, физический вакуум.

три формы материи — вещество, физическое поле, физический вакуум

Э. Резерфорд предложил в 1910 г планетарную модель атома, в которой отрицательно заряженные электроны вращаются как планеты вокруг центрального положительно заряженного ядра, притягивающего их подобно Солнцу (напомним,что заряды одинаковых знаков отталкиваются, а противоположных-притягиваются)

18. Понятие "элементарная частица" в современной физике.18

Элементарная частица - мельчайшие субъядерными частицы вещества или физического поля. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Атом состоит из мельчайших частиц, называемых элементарными частицами. Протон - самая тяжелая элементарная частица, ядро атома водорода, заряжен положительно. Нейтрон - обладает почти такой же массой как протон, но электрически нейтральна, входит в состав всех атомных ядер.

По свойствам элементарные частицы делятся на следующие группы: фотоны, лептоны, мезоны и барионы (нуклоны и гипероны).

19. Понятие "корпускулярно-волновой дуализм".19

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ — специфическое качество микрообъектов, описываемое квантовой механикой и выражающееся в наличии у этих объектов противоположных корпускулярных и волновых свойств. Точная формулировка К.-в. д. впервые была дана в уравнениях де Бройля, описывающих т. наз. «волны материи». В К.-в. д. отображается взаимосвязь макро- и микромира, особенности их единства.

Понятие "Корпускулярно - волновой дуализм" - применимо к неким объектам, которые с классической точки зрения нельзя однозначно отнести к корпускуле (частице материи) или к волне, т.е. данный объект одновременно обладает и свойствами корпускулы (частицы), и свойствами волны. Именно на эту двойственность (дуализм) и указывает понятие корпускулярно - волнового дуализма. Таким образом данное понятие как бы пытается связать поведение например света, или электрона, с понятиями классической физики, в частности c понятиями о том что такое волна, и о том что такое частица (корпускула).

20. Развитие представлений о движении.20

Движение (в широком плане) понимается как всякое изменение вообще.
Представления о движении исторически развивались.
В античной натурфилософии сложилась идея безостановочной изменчивости вещей (Гераклит).
Аристотель рассматривал движение как атрибут материи и указывал на разнообразие форм движения.
В классической механике признавалась единственная форма движения механическое движение.
Механическое движение описывалось с помощью координат, скорости и траектории.
В Электромагнитной картине мира движение рассматривалось не только как перемещение электрических зарядов, но и как изменение поля (распространение волн).
Здесь уже исследуется химическая форма движения и биологическая форма движения.
В химии это третий концептуальный уровень и четвертый концептуальный уровень (эволюционная химия).
В современной научной картине мира универсальной формой движения рассматривается эволюция

Дата добавления: 2015-05-09