Эти свойства пространства и времени проявляются в неизменности законов природы в различных направлениях и местах во Вселенной и в различные моменты времени

Описанные представления согласуются лишь с предположени­ем, что пространство и время образуют непрерывные континуумы, то есть не дискретны. Это представление продолжает собой континуаль­ную традицию в описании природы. Пространство описывается непре­рывными значениями координат (Х, У, Z), а время непрерывной переменной t.

2.2 Принципы симметрии и законы сохранения.

Экспериментально установлено, что в природе возможны не любые процессы и движения, а только те, которые не нарушают так называемых законов сохранения, выполняющих функцию правил отбора или правил запрета. Это физические законы, согласно кото­рым численные значения некоторых физических величин, характе­ризующих состояние системы, не изменяются в определенных процессах.

Выяснилось, что законы сохранения тесно связаны с фундаментальными свойствами симметрии в природе.

Симметрия проявляется в неизменности (инвариантности) тела или системы по отношению к определенной операции. Например, сфера (без каких-либо меток на ее поверхности) инвариантна относительно любого поворота. В этом проявляется ее симметричность.

Пространство изотропно. Это означает, что как и сфера без меток, оно совпадает с самим собой при любом повороте. Пространство неразрывно связано с материей. Поэтому наша Вселенная также изотропна.

Пространство однородно. Это означает, что оно (и наша Вселенная) обладает симметрией отно­сительно операции сдвига. Той же симметрией обладает и время.

Симметрии в природе связаны с законами природы. Догадки об этом высказывали уже античные мыслители. В 1918 г. связь между симметриями и законами природы была выражена в строгой научной форме немецким математиком А.Э. Нётер. Она сформулировала теорему, существо которой заключается в том, что каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения.

Так, установлено, что:

1) С однородностью времени связан закон сохранения энергии.

2) С однородностью пространства - закон сохранения импульса. 3)С изотропностью пространства - закон сохранения момента импульса.

2.3 Проблема пространства и времени и принцип соответствия физических теорий

Наиболее всеобъемлющей физической теорией, рассматриваю­щей вопросы пространства и времени, стала так называемая общая теория относительности (ОТО), создателем основ которой является А. Эйнштейн. Она называется также теорией тяготения, так как тесно связана с понятием гравитации и объясняет природу гравитаци­онных сил. Согласно ОТО свойства пространства (его геометрия) определяются действующими полями тяготения, гравитацией. Это представление попадает в русло концепции прост­ранства, заложенной еще Аристотелем и продолженной Лейбницем.

При описании явлений, в которых не участвуют массы космиче­ского масштаба, влияние гравитации на геометрию пространства можно считать пренебрежимо малым. Если полями тяготения пренебречь, то из ОТО вытекает допустимость использования другой теории А. Эйнштейна - специальной теории относительности (СТО).

СТО может быть применена к описанию как механических, так и немеханических явлений. Приложение СТО к описанию механических процессов, в которых скорости тел (v) сопоставимы со скоростью света в вакууме (с), называется релятивистской меха­никой.

Оказалось, что механика Ньютона представляет собой предельный случай релятивистской механики при малых скоростях: взамен релятивистской механики может использоваться ньютоновская, если скорости невелики, то есть, если выполняется условие v «с.

Как видим, ОТО установила границы применимости СТО, а эта теория, в свою очередь, - границы применимости ньютоновской механики. Такая взаимная увязка физических теорий очень важна, поскольку позволяет создавать единую непротиворечивую картину мира.

Любая новая теория должна вбирать в себя все достижения предшествующей, указывая при этом границы ее применимости. Это правило получило название принципа соответствия физических теорий.

Взаимосвязь различных теорий, связанных с описанием простран­ства, времени, механического движения, показана на рисунке

Схема наглядно отображает действие принципа соответствия физических те­орий на примере теории относительн ости и ньютоновской механики.

Важно отметить, что преемственность теорий не означает некое усовершенствование старой, менее совершенной теории с целью пост­роения новой. Например, соответствие СТО и механики Ньютона достигается, несмотря на их совершенно разные исходные положения.

2.4 Пространство-время в специальной теории относительности

Таким образом, на смену ньютоновским абсолютным и независимым друг от друга пространству и времени пришло единое четырех­мерное пространство-время. Наш мир четырехмерен.

Дальнейший шаг в развитии представлений о пространстве- времени сделан в общей теории относительности. ОТО показала, что свойства пространства-времени определяются действующими в данной области полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени перестает быть евклидо­вой и меняется в зависимости от наличия масс. Эти эффекты имеют реальное и наблюдаемое проявление и изучаются астрофизикой.

2.5. Закон взаимосвязи энергии и массы.

Одним из важнейших следствий из СТО является соотношение между полной энергией Е изолированного от внешних воздействий тела и его массой m (закон взаимосвязи массы и энергии):

E = mc²

Для покоящегося тела релятивистская механика дает: Е₀ = тс². Здесь Е₀ - энергия покоя, которой тело обладает благодаря самому факту своего существования. Ньютоновская механика не учитывает энергию покоя, которая включает в себя все виды энергии, присущие покоящемуся телу, в том числе энергию взаимодействия и теплового движения атомов и молекул, а также ядерного взаимодействия.

Уравнение Е₀ = тс² универсально. Не имея никаких сведений о структуре тела, не зная характера взаимодействия его частиц, можно утверждать, что его внутренняя энергия равна тс². Какие бы взаимные превращения разных видов материи ни происходили, произошедшему в системе изменению энергии соответствует эквивалентное изменение массы.

Энергия и масса являются двумя однозначно связанными характеристиками материи.

Уравнение Е₀ = тс² раскрывает источник энергии, исполь­зуемой ядерной энергетикой. Масса продуктов радиоактивного распада, протекающего в ядерном реакторе, меньше массы исходного вещества. Эта разность называется дефектом массы. Дефект массы Δm, помноженный на большую величину с², обусловливает громадную энергию ΔЕ = Δтс², которая и выделяется в ядерном реакторе. Практика использования ядерной энергии является одним из самых" наглядных и убедительных свидетельств верности СТО.

Тема 3. Физическое поле. Электромагнитные волны.

Электромагнитная картина мира

Подлинно кон­тинуальной "сплошной средой" в рамках классической физики является одна из полевых форм материи - электромагнитное поле.

3.1 История электромагнетизма

Приведем главные вехи довольно длительного пути создания теории электромаг­нетизма и становления электромагнитной картины мира.

К понятию электромагнитного поля привел в 19 веке синтез:

1) представлений механики сплошных сред,

2) корпускулярных представ­лений о природе электричества

3) волновой оптики, развивавшейся первоначально независимо от электричества и магнетизма.

Такой синтез был осуществлен в теории Максвелла, получившей впоследствии название классической электродинамики. Эта теория совершенно не зависит от механики Ньютона и представляет собой описание качественно иного по сравнению с телами (корпускулами) природного объекта - электромагнитного поля, электромагнитных волн.

Первоначально предполагалось, что для распространения электро­магнитных волн необходима некая среда, связанная с абсолютной системой отсчета - так называемый эфир. Но из теории Максвелла вытекала возможность автономного существования электро­магнитного поля как отдельного вида материи. Вскоре в опытах Герца данное предсказание было экспериментально подтверждено.

В дальнейшем классическая электро­динамика Максвелла послужила основой для зарождения в 19-м веке так называемой электромагнитной картины мира, которая сущест­венно изменила представления о природе.

Если ранее в физике преобладало стремление свести наблюдаемые явления к механике, то с развитием электродинамики для объяснения множества явлений стали привлекать представления электромагнитной теории. Например, такие механические явления, как упругость, трение, тоже получили объ­яснение на основе электрического взаимодействия между собой частиц тел - атомов, молекул.

Электромагнитная картина мира продолжала формироваться и на протяжении первых десятилетий 20-го столетия, частично используя достижения возникшей к этому времени атомной физики и пополнившись идеями теории относительности.

Таким образом, к формированию ЭМКМ привели следующие открытия:

1. Экспериментальное исследование явлений, связанных со статическим электричеством, и формулировка Кулоном закона взаимо­действия электрических зарядов. Возникновение представлений об электрическом поле.

Дата добавления: 2014-01-05