Мурманский Государственный педагогический институт Физико-математический факультет Кафедра физики по теме II Гнатюк Мурманск 7 Диалектический материализм исходит из того, что в мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181 Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными формами существования материи.Классическая физика рассматривала пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических объектов.
Однако развитие неклассической физики физики элементарных частиц, квантовой физики и др. выдвинуло новые представления о пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно связаны между собой. Возникли разные концепции согласно одним, в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного пространства, а физические объекты являются только проявлениями этого пространства.Согласно другим, пространство и время присущи лишь макроскопическим объектам.
Как видно, современная физика настолько разрослась и потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо противоположные утверждения о природе и статусе пространства и времени. Этот факт требует тщательного исследования, так как может показаться, что представления современной физики противоречат фундаментальным положениям диалектического материализма.Правда, следует отметить, что в современной физике речь идет о пространстве и времени как о физических понятиях, как о конкретных математических структурах, наделенных соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациями в рамках оределнных теорий, и что выяснение макроскопичности подобных структур не имеет прямого отношения к положению диалектического материализма об универсальности пространства и времени, так как в этом речь идет уже о философских категориях.
Начинать исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных представлений вплоть до наших дней. 1 Аристотеля. Атомистическая доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом.
Согласно этой доктрины, вс природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи атомов, которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве.Атомы бытие и пустота небытие являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности времени.
Атомы двигаются в пустоте бесконечное время. Бесконечному пространству соответствует бесконечное время. Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты.Множество атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один большой атом, исчерпывающий собой мир. Сама же концепция была основана на атомах, которые в сочетании с пустотой образуют вс содержание реального мира. В основе этих атомов лежат амеры пространственный минимум материи.
Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениями современной физики о кварках.Характеризуя систему Демокрита как теотию структурных уровней материи - физического атомы и пустота и математического амеры, мы сталкиваемся с двумя пространствами непрерывное физическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах протяжения материи.
В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур рассмотривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени.Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один атом пространства за один атом времени.
Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа пространства и времени. В их представлениях были реализованы 4 субстанциальная и атрибутивная концепции. Аристотель начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени.Дальнейший анализ времени ведтся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения.
Аристотель показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть и само движение. В такой модели времени реализована реляционная концепция. Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью.В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.
Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней космоса Аристотеля.Его космологическая модель функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на земной и небесный уровни.
Земной состоит из четырх стихий - земли, воды, воздуха и огня небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Эта модель просуществовала около двух тысячелетий. Однако в системе Аристотеля были и другие положения, которые оказались более жизнеспособными и во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени.Речь идт о логическом учении Аристотеля на основе которого были разработаны первые научные теории, в частности геометрия Евклида.
В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами встечаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые считались решнными. В таком подходе представлена модель теории, которая работает и сегодня аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами.Геометрия Евклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов.
Огромной заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории тврдого тела и световых лучей. Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины мира как в эмпирическом, так и в теоретико- логическом плане.С помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были революционные представления Н. Коперника, который развил гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории Коперника можно считать открытия И.Кеплера 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. 3. Квадраты времн обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.
Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания концепций пространства и инерции у Галилея признатся пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошл до идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение. Для Декарта не характерен осознанный и систематический учт относительности движения.
Его представления ограничены рамками геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления изменению.Для Ньютона же характерна динамическая трактовка массы, и в его системе это понятие сыграло основопологающую роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя, ибо это требуется неизменностью божества. То же самое достоверно для Ньютона вследствие массы тела. Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают сво физическое содержание с помощью аксиом через законы движения.
Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени.
У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов. После выхода в свет Начал Ньютона физика начала активно развиваться, причм этот процесс происходил на основе механистического подхода.Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется.
Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной тврдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло в разрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.Революция в физике началась открытием Рмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 30 кмс. В 1728 году Брэдри открыл явление звздной аберрации.
На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника иили примника. О.Френель показал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона 1881г. полностью это опроверг. Таким образом возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления вс хуже сводились к механике.Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности. Ареной этих законов является вс пространство, а не одни точки, в которых находится вещество или заряды, как это принимается для механических законов.
Так возникла электромагнитная теория материи.Физики пришли к выводу о существовании дискретных элементарных объектов в рамках электромагнитной картины мира электронов.
Основные достижения в области исследования электрических и оптических явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца.Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашл выход, который спасал абсолютное пространство и время классической механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона, правда ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и ввести свои собственные, основанные на неинвариантности времени. tt-vxc2, где v - скорость движения системы относительно эфира, а х - координата той точки в движущейся системе, в которой производится измерение времени.
Время t он назвал локальным временем. На основе этой теории виден эффект изменения размеров тел L2L11v22c2. Сам Лоренц объяснил это опираясь на свою электронную теорию тела испытывают сокращение вследствие сплющивания электронов. Терия Лоренца исчерпала возможности классической физики.Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени.
Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна. 3 2.1. Специальная теория относительности. В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира.Отрицательные результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики.
Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной. Возникает необходимость развить теорию преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой.
Эйнштейн пришел к формулировке преобразований Лоренца где x, y, z, t - координаты в одной системе, x, y, z, t - в другой.
Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяжнности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчта В специальной теории относительности функционирует новый закон сложения скоростей, из которого вытекает невозможность превышения скорости света.Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующех теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией.
В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца оказываются связанными с новыми свойствами пространства и времени с относительностью длины и временного промежутка, с равноправностью пространства и времени, с инвариантностью пространственно - временного интервала.Важный вклад в понятие равноправность внс Г. Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырхмерного континуума.
Разделение на пространство и время не имеет смысла. Пространство и время в специальной теории относительности трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако было бы ошибочным представлять пространственно - временную структуру новой теории как проявление одной лишь концепции относительности. Введение Минковским четырхмерного формализма помогло выявить аспекты абсолютного мира, заданного в пространственно - временном континууме.В теории относительности, как и в классической механике, существуют два типа пространства и времени, которые реализуют субстанциальную и атрибутивную концепции.
В классической механике абсолютные пространство и время выступали в качестве структуры мира на теоретическом уровне. В специальной теории относительности аналогичным статусом обладает единое четырхмерное пространство - время.Переход от классической механики к специальной теории относительности можно представить так 1 на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству - времени, 2 на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени Эйнштейна.
Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект.
Новая теория - общая теория относительности - строилась путм построения обобщнного пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщнной теории с последующей е эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии.
Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым.Речь идет о следующем положении специальной теории относительности двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определнной длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени.
Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определнной величины, независимо от места и времени.Следует отметить, что в общей теории относительности находит наиболее полное воплощение представление диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи.
Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации.
Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порожднного равноускоренным движением. Принцип эквивалентности носит локольный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности.Он помог сформулировать основные принципы, на котрых базируется новая теория гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.
Кроме них Эйнштейн выдвинул ряд матаматических гипотез, без которых невозможно было бы вывести гравитационные уравнения пространство четырхмерно, его структура опрелеляется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат. В работе Относительность и проблема пространства Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности.Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное тому, что заполняет пространство и что зависит от координат.
Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля. Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам.Теория предсказала и объяснила три общелелятивистских эффекта были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий. Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей теории относительности геометризацию гравитации и релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.
Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской геометрии. Однако данное направление не привело к успеху.
Были попытки ввести пространства более высокой размерности. чем четырхмерное пространственно-временное многообразие Римана Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын - бесконечное многообразие. Однако таким путм решить проблему не удавалось.На пути пересмотра евклидовой топологии пространства - времени строится современная единая теория поля - квантовая геометродинамика Дж. Уитлера.
В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводится понятие суперпространства, как арены действия геометродинамики.При таком подходе каждому взаимодействию соответствует своя геометрия, и единство этих теорий заключается в существовании общего принципа, по которому порожнаются данные геометрии и расслаиваются соответствующие пространства.
Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещ более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные частицы в их единстве и гармонии. Доэйнштейновские представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени.Они были заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру Евклидово.
Такая модель казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия.Таких положений в классической космологии четыре стационарность Вселенной, е однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.
Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырхмерного пространства - времени.Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной.
Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведт к признанию е однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну.В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.
Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала е бесконечность.Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.
Вселенная Эйнштейна представляет собой трхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться.Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввл в уравнения теории новый член с помощью которого во Вселенную вводились новые силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.
Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная расширяется.Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра.
Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V HL, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Всвязи с этим встают две важные проблемы проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние разбегание галактик - наглядное обозначение раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики.Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Вторая проблема связана с представлением о начале времени.
Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t0, когда произошл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбург считает, что Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии, которое отвечает началу времени, понятие времени до этого начала лишено физического, да и любого другого смысла.В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчта.
Это положение особо чтко отразилось в представлениях о чрных дырах. Речь идет об одном из наиболее интересных явлений современной космологии - гравитационном коллапсе. С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают Расширение Вселенной во многих отношениях подобно коллапсу звезды, если не считать того, что направление времени при расширении обратное.Как начало Вселенной, так и процессы в чрных дырах связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда условная сфера с радиусом r 2GMc2, где G - гравитационная постоянная, М - масса.
Независимо от того, в каком состоянии космический объект переск соответствующую сферу Шварцшильда, далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного коллапса.После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время звезда потухает для удалнного наблюдателя, и в пространстве образуется чрная дыра. Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится за бесконечностью во времени.
Таким образом, оказалось, что пространство - время в общей теории относительности содержит сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть концепцию пространственно - временного континуума как некоего дифференцируемого гладкого многообразия.Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку r - 0, когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Это вызывает обоснованное сомнение.
Дж. Уитлер считает, что в заключительной стадии гравитацинного коллапса вообще не существует пространства - времени. С. Хокинг пишет Сингулярность - это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства - времени.
Этих представлений придерживаются большинство современных космологов. На заключительных стадиях гравитационного коллапса вблизи сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они должны играть на этом уровне доминирующую роль и могут вообще не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области происходят субмикроскопические флуктуации материи, которые и составляют основу глубокого микромира.Вс это свидетельствует о том, что понять мегамир невозможно без понимания микромира. 4. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА. Пространственно-временные представления квантовой механики.
Создание Эйнштейном специальной теории относительности не исчерпывает возможноси взаимодействия механики и электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было выявлено противоречие как в истолковании экспериментальных данных, так и в теоретической согласованности этих выводов.Это повлекло за собой рождение квантовой механики.
Она положила начало неклассической физике, открыла дорогу к познанию микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманию процессов в недрах звзд и начале Вселенной. В конце XIX века физики начали исследовать, как распределяется излучение по всему спектру частот.В тот период физики задались также целью выяснить природу взаимосвязи энергии излучения и температуры тела. М. Планк пытался решить эту проблему с помощью методов классической электродинамики, но это не привело к успеху.
Попытка решить проблему с позиции термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с помощью интерполяции где v - частота излучения, Т - температура, k - постоянная Больцмана. Полученная Планком формула была очень содержательной, кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h, которую Планк назвал элементарным квантом действия.Справедливость формулы Планка достигалась очень странным для классической физики предположением процесс излучения и поглощения энергии является дискретным. C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло представление о карпускулярно - волновом дуализме.
Реальная природа света может быть представлена как диалектическое единство волны и частиц. Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было предложено множеств о противоречащих друг другу моделей.Выход был найден Н. Бором путм синтеза планетарной модели атома Резерфорда и квантовой гипотезы.
Он предположил, что атом может иметь ряд стационарных состояний при переходе в которые поглащается или излучается квант энергии. В самом же стационарном состоянии атом не излучает. Однако теория Бора не объясняла интенсивности и поляризации излучения. Частично с этим удалось справиться с помощь принципа соответствия Бора. Этот принцип сводится к тому, что при описании любой микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией, применяемой в макромире.Принцип соответствия сыграл важную роль в исследованиях де Бройля.
Он выяснил, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и элементарным частоцам материи присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929 году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое уравнение, носящее его имя. Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения Шредингера.Он показал, что это уравнение описывает амплитуду вероятности нахождения частицы в данной области пространства.
Чуть раньше 1925г. Гейзенбергом была разработана квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на соотношении неопределнностей Гейзенберга чем больше неопределнность пространственной координаты, тем меньше неопределнность значения импульса частицы. Аналогичное соотношение имеет место для времени и энергии частицы.Таким образом, в квантовой механике была найдена принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам.
В квантовой физике была поставлена важная проблема о необходимости пересмотра пространственных представлений лапласовского детерминизма классической физики.Они оказались лишь приближнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование принципиальной неопределнности в состоянии объекта, наличие черт целостности и индивидуальности в микромире, что и выражалось в понятии универсального кванта действия h. Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещ не создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещ большими трудностями.
Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды взаимодействий и специфические свойства пространственно - временных отношений.
Область доступных в эксперименте микроскопических интервалов условно делится на четыре уровня 1уровень молекулярно - атомных явлений, 2 уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов, 3 уровень элементарных частиц, 4уровень ультрамалых масштабов, где пространственно - временные отношения оказываюстя несколько иными, чем в классической физике макромира.В этой области по-иному следует понимать природу пустоты - вакуум.
В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов, электронно - позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривают как особый вид материи - как поле в состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что так называемая пустота - это одно из состояний материи.Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой е плотностью.
Минимум е оказался равным уровню осциллятора hv2. Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны пишет Я. Зельдович мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии. Эта бесконечная энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности, которые ещ предстоит освоить физике.Продвигаясь вглубь материи, учные перешагнули рубеж 10 см. и начали исследовать физические процессы в области субатомных пространственно - временных отношений. На этом уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц.
Здесь иные пространственно - временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого.Ещ более радикальных изменений пространственно - временных представлений требует переход к исследованию процессов, характерных для слабых взаимодействий.
Поэтому на повестку дня встат вопрос о нарушении пространственной и временной чтности, т.е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными. В этих условиях были предприняты различные попытки принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно направление связано с изменением представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе - с гипотезой о возможной макроскопической природе пространсва и времени.Рассмотрим более подробно эти направления.
Прерывность и непрерывность пространства и времени в физике микромира. Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства и времени. После создания теории относительности и квантовой механики учные попытались объединить эти две фундаментальные теории.Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое уравнение для электрона.
Был получен неожиданный вывод о существовании антипода электрона - частицы с противоположным электрическим зарядом.В настоящее время известно, что каждой частице в природе соответствует античастица, это обусловлено фундаментальными положениями современной теории и связано с кардинальными свойствами пространства и времени чтность пространства, отражение времени и т.д Исторически первой квантовой теорией поля была квантовая электродинамика, включающая в себя описание взамодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого уровня развития и известной завершнности.
Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно - временной непрерывности точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечт за собой существенные трудности, связанные с бесконечными значениями некоторых величин масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д Эти трудности учные пытались преодалеть путм введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени.
Такой подход намечает единственный выход из неопределнности бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину - основу атомистического пространства.Позже была построена обобщнная квантовая электродинамика, которая также является локальной теорией, описывающей точечные взаимодействия точечных частиц, что приводит к существенным трудностям. Например, наличие электромагнитного и электронно - позитронного вакуума обуславливает небходимость внутренней сложности, структурности электрона.
Электрон поляризует вакуум, и флуктуации последнего создают вокруг электрона атмосферу из виртуальной электронно - позитронной пары. При этом вполне вероятен процесс аннигиляции исходного электрона с позитроном пары. Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но в другой точке пространства. Подобная специфика объектов квантовой электродинамики является веским аргументом в пользу концепции пространственно - временной дискретности.
В е основе лежит идея о том, что масса и заряд электрона находятся в разных физических полях, отличны от массы и заряда идеализированного изолированного от мира электрона. Разность между массами оказывается бесконечной.При оперировании этими бесконечностями их можно выразить через физические константы - заряд и массу реального электрона. Это достигается путм перенормировки теории.
Что касается теории сильных взаимодействий, то там процедуру перенормировки использовать не удатся. Всвязи с этим в физике микромира широкое развитие получило направление, связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя методами. При первом исходят из положения. что понятие локального взаимодействия лишено смысла.Второй основан на отрицании понятия точечной координаты пространства - времени, что приводит к теории квантового пространства - времени.
Протяжнная элементарная частица обладает сложной динамической структурой. Подобная сложная структура микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учные столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики элементарного и сложного в микромире.Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами.
В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного. Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения раньше и позже.В области нелокального взаимодействия события связаны в некий комок, в котором они взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.
Таково принципиальное положение дел, сложившееся в развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенберга и кончая современными нелокальными и нелинейными теориями, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени на области малые, где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в нелокальной теории новой константы размерности длины - элементарной длины.
С этим атомом пространства связан и элементарный момент времени хронон, и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц. Теория дискретного пространства - времени продолжает развиваться. Открытым остатся вопрос о внутренней структуре атомов пространства и времени.Существует ли пространство и время в атомах пространства и времени Это одна из версий гипотезы о возможной макроскопичности пространства и времени, которая будет рассмотрена ниже. Проблема микроскопичности пространства и времени в микромире.
В современной физике микромира возникла следующая проблема речь стала идти не об изменении свойств или структуры пространства и времени, а об их макроскопической природе, т.е. о том, что их вообще возможно нет в микромире.Такая постановка вопроса связана с созданием квантовой механики. Что касается сфер приложимости гипотезы, то е сторонники разошлись во мнениях одни считают, что она имеет отношение лишь к теоретическому описанию объективной реальности в квантовой физике, другие расширили е уровня философского положения о неуниверсальности пространства и времени как форм существования движущейся материи.
В ньютоновской механике теоретическое и эмпирическое пространство и время во многом совпадали. С развитием физики это совпадение нарушается.В связи с этим возникает вопрос должна ли эмпирическая структура физической теории выступать обязательно в форме пространства и времени классической физики Гейзенберг следующим образом описывает создавшуюся в физике микромира ситуацию Оказывается, в наших исследованиях атомных процессов неизбежно существует своеобразное раздвоение.
С одной стороны, вопросы, с которыми мы обращаемся к природе посредством экспериментов, всегда формулируются в понятиях классической физики, в особенности в понятиях пространства и времени, поскольку наш язык приспособлен к передаче только обыденного нашего окружения и поскольку опыты мы не можем провести иначе, как только во времени и в пространстве.
С другой стороны, математические выражения, пригодные для изображения экспериментальных результатов, представляют собой волновые функции в многомерных конфигурационных пространствах, не допускающих какой-либо простой наглядной интерпретации. Из этого положения можно сделать вывод, что пространство и время классической физики являются эмпирической структурой квантовой механики.Так в чм же суть рассматриваемой гипотезы Эмпирическая структура физической теории заведомо макроскопична.
Теоретическая структура при описании микромира выступает как пространство и время.Пространство и время можно использовать при развитии физических теорий, описывающих другие уровни строения материи, но это сопряжено с неоправданным усложнением теории, и поэтому от них отказываются. Речь идт о макроскопичности пространства и времени, которые выступают в качестве теоретических структур физических теорий.
В заключении рассмотрим гипотезу о макроскопической природе пространства и времени с точки зрения диалектико - материалистического учения об их универсальности. Речь едт о пространстве и времени как категориях современной физики, которые являются специфическими метрическими структурами сосуществования данных явлений и смены конкретных состояниий, что предполагает возможность различия двух соседних точек и двух последующих моментов.Свойства соседства и следования являются конкретными и специфическими свойствами структуры, которые могут существовать далеко не везде.
С этой точки зрения можно даже говорить о внепространственных и вневременных формах существования материи.Однако, можно задать и другой вопрос если пространство и время оказываются неуниверсальными, то какой смысл нужно вкладывать в них сейчас, чтобы они попрежнему оставались универсальными С этим вопросом связано возникновение и развитие различных модификаций гипотезы о макроскопической природе пространства и времени.
Если этой гипотезе пытаются придать философский статус, то это необоснованно, т.к. она носит сугубо физический характер и не вступает в противоречие с тезисом диалектическо - материалистической философии о всеобщности пространства и времени.Но в рамках физической проблематики эта гипотеза не означает, что макромир обладает только соответствующей пространственной природой, т.е. следует учитывать, что макромир не исчерпывается классическими объектами в классических пространстве и времени, что неклассический макромир может потребовать неклассической пространственно - временной организации 1. Аскин Я.Ф. Проблема времени.
Е физическое истолкование, М. Мысль 1986. 2. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании, М.Мысль 1982 253 с. 3. Ахундов М. Д. Проблемы прерывности и непрерывности пространства и времени, М.Наука 1989 256 с. 4. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени истоки, эволюция, перспективы, М.Наука 1982 222 с. 5. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения и регуляторы практической деятельности, МинскНаука и техника 1989 220 с. 6. Потмкин В.К Симанов А.Л. Пространство в структуре мира, НовосибирскНаука 1990 176 с. 7. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырх томах.
Том I. Работы по теории относительности 1905-1920, М.Наука 1985 700с.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Термин пространство понимают, в основном, в двух смыслах:
Рассматриваются в физике и ряд пространств, которые занимают как бы промежуточное положение в этой простой классификации, то есть такие, которые в частном случае могут совпадать с обычным физическим пространством, но в общем случае - отличаться от него (как, например, конфигурационное пространство) или содержать обычное пространство в качестве подпространства (как фазовое пространство , пространство-время или пространство Калуцы).
В теории относительности в её стандартной интерпретации пространство оказывается одним из проявлений единого пространства-времени , и выбор координат в пространстве-времени, в том числе и разделение их на пространственные и временную , зависит от выбора конкретной системы отсчёта . В общей теории относительности (и большинстве других метрических теорий гравитации) в качестве пространства-времени рассматривается псевдориманово многообразие (или, для альтернативных теорий, даже что-то более общее) - более сложный объект, чем плоское пространство, которое может играть роль физического пространства в большинстве других физических теорий (впрочем, практически у всех общепринятых современных теорий есть или подразумевается форма, обобщающая их на случай псевдориманова пространства-времени общей теории относительности, являющейся непременным элементом современной стандартной фундаментальной картины).
В большинстве разделов физики сами свойства физического пространства (размерность, неограниченность и т. п.) никак не зависят от присутствия или отсутствия материальных тел. В общей теории относительности оказывается, что материальные тела модифицируют свойства пространства, а точнее, пространства-времени, «искривляют» пространство-время.
Одним из постулатов любой физической теории (Ньютона, ОТО и т. д.) является постулат о реальности того или иного математического пространства (например, Евклидова у Ньютона).
Конечно же, различные абстрактные пространства (в чисто математическом понимании термина пространство ) рассматриваются не только в фундаментальной физике, но и в разных феноменологических физических теориях, относящихся к разным областям, а также на стыке наук (где разнообразие способов применения этих пространств достаточно велико). Иногда случается, что название математического пространства, используемого в прикладных науках, берут в фундаментальной физике для обозначения некоего абстрактного пространства фундаментальной теории, которое оказывается похоже на него некоторыми формальными свойствами, что дает термину и понятию больше живости и (абстрактной) наглядности, приближает хоть как-то немного к повседневному опыту, «популяризирует» его. Так было, например, сделано в отношении упомянутому выше внутреннего пространства заряда сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике , которое назвали цветовым пространством потому, что оно чем-то напоминает цветовое пространство в теории зрения и полиграфии.
См. также
Напишите отзыв о статье "Пространство в физике"
Примечания
- Физическое пространство - это уточняющий термин, используемый для разграничения этого понятия как от более абстрактного (обозначаемого в этой оппозиции как абстрактное пространство ), так и для различения реального пространства от слишком упрощенных его математических моделей.
- Тут имеется в виду трёхмерное «обычное пространство», то есть пространство в понимании (1), как описано в начале статьи. В традиционных рамках теории относительности стандартным является именно такое употребление термина (а для четырёхмерного пространства Минковского или четырёхмерного псевдориманова многообразия общей теории относительности используется соответственно термин пространство-время ). Однако в более новых работах, особенно если это не может вызвать путаницы, термин пространство употребляют и в отношении пространства-времени в целом. Например, если говорят о пространстве размерности 3+1, имеется в виду именно пространство-время (а представление размерности в виде суммы обозначает сигнатуру метрики , как раз и определяющую количество пространственных и временных координат этого пространства; во многих теориях количество пространственных координат отличается от трёх; существуют и теории с несколькими временными координатами, но последние очень редки). Аналогично говорят «пространство Минковского », «пространство Шварцшильда », «пространство Керра » и т. д.
- Возможность выбора разных систем пространственно-временных координат и перехода от одной такой системы координат к другой, аналогичен возможности выбора разных (с разным направлением осей) систем декартовых координат в обычном трёхмерном пространстве, причём от одной такой системы координат можно перейти к другой поворотом осей и соответствующим преобразованием самих координат - чисел, характеризующих положение точки в пространстве относительно данных конкретных декартовых осей. Однако следует заметить, что преобразования Лоренца , служащие аналогом поворотов для пространства-времени, не допускают непрерывного поворота оси времени до произвольного направления, например, ось времени нельзя повернуть до противоположного направления и даже до перпендикулярного (последнему соответствовало бы движение системы отсчета со скоростью света).
Литература
- Ахундов М. Д. Концепция пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы. М., «Мысль», 1982. - 222 стр.
- Потёмкин В. К., Симанов А. Л. Пространство в структуре мира. Новосибирск, «Наука», 1990. - 176 с.
- Мизнер Ч. , Торн К. , Уилер Дж. Гравитация . - М .: Мир, 1977. - Т. 1-3.
Отрывок, характеризующий Пространство в физике
– Sire, tout Paris regrette votre absence, [Государь, весь Париж сожалеет о вашем отсутствии.] – как и должно, ответил де Боссе. Но хотя Наполеон знал, что Боссе должен сказать это или тому подобное, хотя он в свои ясные минуты знал, что это было неправда, ему приятно было это слышать от де Боссе. Он опять удостоил его прикосновения за ухо.– Je suis fache, de vous avoir fait faire tant de chemin, [Очень сожалею, что заставил вас проехаться так далеко.] – сказал он.
– Sire! Je ne m"attendais pas a moins qu"a vous trouver aux portes de Moscou, [Я ожидал не менее того, как найти вас, государь, у ворот Москвы.] – сказал Боссе.
Наполеон улыбнулся и, рассеянно подняв голову, оглянулся направо. Адъютант плывущим шагом подошел с золотой табакеркой и подставил ее. Наполеон взял ее.
– Да, хорошо случилось для вас, – сказал он, приставляя раскрытую табакерку к носу, – вы любите путешествовать, через три дня вы увидите Москву. Вы, верно, не ждали увидать азиатскую столицу. Вы сделаете приятное путешествие.
Боссе поклонился с благодарностью за эту внимательность к его (неизвестной ему до сей поры) склонности путешествовать.
– А! это что? – сказал Наполеон, заметив, что все придворные смотрели на что то, покрытое покрывалом. Боссе с придворной ловкостью, не показывая спины, сделал вполуоборот два шага назад и в одно и то же время сдернул покрывало и проговорил:
– Подарок вашему величеству от императрицы.
Это был яркими красками написанный Жераром портрет мальчика, рожденного от Наполеона и дочери австрийского императора, которого почему то все называли королем Рима.
Весьма красивый курчавый мальчик, со взглядом, похожим на взгляд Христа в Сикстинской мадонне, изображен был играющим в бильбоке. Шар представлял земной шар, а палочка в другой руке изображала скипетр.
Хотя и не совсем ясно было, что именно хотел выразить живописец, представив так называемого короля Рима протыкающим земной шар палочкой, но аллегория эта, так же как и всем видевшим картину в Париже, так и Наполеону, очевидно, показалась ясною и весьма понравилась.
– Roi de Rome, [Римский король.] – сказал он, грациозным жестом руки указывая на портрет. – Admirable! [Чудесно!] – С свойственной итальянцам способностью изменять произвольно выражение лица, он подошел к портрету и сделал вид задумчивой нежности. Он чувствовал, что то, что он скажет и сделает теперь, – есть история. И ему казалось, что лучшее, что он может сделать теперь, – это то, чтобы он с своим величием, вследствие которого сын его в бильбоке играл земным шаром, чтобы он выказал, в противоположность этого величия, самую простую отеческую нежность. Глаза его отуманились, он подвинулся, оглянулся на стул (стул подскочил под него) и сел на него против портрета. Один жест его – и все на цыпочках вышли, предоставляя самому себе и его чувству великого человека.
Посидев несколько времени и дотронувшись, сам не зная для чего, рукой до шероховатости блика портрета, он встал и опять позвал Боссе и дежурного. Он приказал вынести портрет перед палатку, с тем, чтобы не лишить старую гвардию, стоявшую около его палатки, счастья видеть римского короля, сына и наследника их обожаемого государя.
Как он и ожидал, в то время как он завтракал с господином Боссе, удостоившимся этой чести, перед палаткой слышались восторженные клики сбежавшихся к портрету офицеров и солдат старой гвардии.
– Vive l"Empereur! Vive le Roi de Rome! Vive l"Empereur! [Да здравствует император! Да здравствует римский король!] – слышались восторженные голоса.
После завтрака Наполеон, в присутствии Боссе, продиктовал свой приказ по армии.
– Courte et energique! [Короткий и энергический!] – проговорил Наполеон, когда он прочел сам сразу без поправок написанную прокламацию. В приказе было:
«Воины! Вот сражение, которого вы столько желали. Победа зависит от вас. Она необходима для нас; она доставит нам все нужное: удобные квартиры и скорое возвращение в отечество. Действуйте так, как вы действовали при Аустерлице, Фридланде, Витебске и Смоленске. Пусть позднейшее потомство с гордостью вспомнит о ваших подвигах в сей день. Да скажут о каждом из вас: он был в великой битве под Москвою!»
– De la Moskowa! [Под Москвою!] – повторил Наполеон, и, пригласив к своей прогулке господина Боссе, любившего путешествовать, он вышел из палатки к оседланным лошадям.
– Votre Majeste a trop de bonte, [Вы слишком добры, ваше величество,] – сказал Боссе на приглашение сопутствовать императору: ему хотелось спать и он не умел и боялся ездить верхом.
Но Наполеон кивнул головой путешественнику, и Боссе должен был ехать. Когда Наполеон вышел из палатки, крики гвардейцев пред портретом его сына еще более усилились. Наполеон нахмурился.
– Снимите его, – сказал он, грациозно величественным жестом указывая на портрет. – Ему еще рано видеть поле сражения.
Боссе, закрыв глаза и склонив голову, глубоко вздохнул, этим жестом показывая, как он умел ценить и понимать слова императора.
Весь этот день 25 августа, как говорят его историки, Наполеон провел на коне, осматривая местность, обсуживая планы, представляемые ему его маршалами, и отдавая лично приказания своим генералам.
Первоначальная линия расположения русских войск по Ко лоче была переломлена, и часть этой линии, именно левый фланг русских, вследствие взятия Шевардинского редута 24 го числа, была отнесена назад. Эта часть линии была не укреплена, не защищена более рекою, и перед нею одною было более открытое и ровное место. Очевидно было для всякого военного и невоенного, что эту часть линии и должно было атаковать французам. Казалось, что для этого не нужно было много соображений, не нужно было такой заботливости и хлопотливости императора и его маршалов и вовсе не нужно той особенной высшей способности, называемой гениальностью, которую так любят приписывать Наполеону; но историки, впоследствии описывавшие это событие, и люди, тогда окружавшие Наполеона, и он сам думали иначе.
Наполеон ездил по полю, глубокомысленно вглядывался в местность, сам с собой одобрительно или недоверчиво качал головой и, не сообщая окружавшим его генералам того глубокомысленного хода, который руководил его решеньями, передавал им только окончательные выводы в форме приказаний. Выслушав предложение Даву, называемого герцогом Экмюльским, о том, чтобы обойти левый фланг русских, Наполеон сказал, что этого не нужно делать, не объясняя, почему это было не нужно. На предложение же генерала Компана (который должен был атаковать флеши), провести свою дивизию лесом, Наполеон изъявил свое согласие, несмотря на то, что так называемый герцог Эльхингенский, то есть Ней, позволил себе заметить, что движение по лесу опасно и может расстроить дивизию.
Осмотрев местность против Шевардинского редута, Наполеон подумал несколько времени молча и указал на места, на которых должны были быть устроены к завтрему две батареи для действия против русских укреплений, и места, где рядом с ними должна была выстроиться полевая артиллерия.
Отдав эти и другие приказания, он вернулся в свою ставку, и под его диктовку была написана диспозиция сражения.
Диспозиция эта, про которую с восторгом говорят французские историки и с глубоким уважением другие историки, была следующая:
«С рассветом две новые батареи, устроенные в ночи, на равнине, занимаемой принцем Экмюльским, откроют огонь по двум противостоящим батареям неприятельским.
Трехмерное пространство нашего повседневного мира и/или прямое развитие этого понятия в физике (развитие, возможно, иногда достаточно изощренное, но прямое, так что можно сказать: наше обычное пространство на самом деле таково). Это пространство, в котором определяется положение физических тел, в котором происходит механическое движение, геометрическое перемещение различных физических тел и объектов. 2) различные абстрактные пространства в том смысле, как они понимаются в математике, не имеющие к обычному («физическому») пространству никакого отношения, кроме отношения более или менее далекой формальной аналогии (иногда, в отдельных простых случаях, правда, просматривается и генетическая связь, например для пространства скоростей, импульсного пространства). Обычно это те или иные абстрактные векторные или линейные пространства , впрочем, часто снабженные разнообразными дополнительными математическими структурами. Как правило, в физике термин пространство применяется в этом смысле обязательно с уточняющим определением или дополнением (пространство скоростей, цветовое пространство , пространство состояний , гильбертово пространство , пространство спиноров), или, в крайнем случае, в виде неразрывного словосочетания абстрактное пространство . Такие пространства используются однако для постановки и решения вполне «земных» задач в обыкновенном трёхмерном пространстве.
Рассматриваются в физике и ряд пространств, которые занимают как бы промежуточное положение в этой простой классификации, то есть такие, которые в частном случае могут совпадать с обычным физическим пространством, но в общем случае - отличаться от него (как, например, конфигурационное пространство) или содержать обычное пространство в качестве подпространства (как фазовое пространство , пространство-время или пространство Калуцы).
В большинстве разделов физики сами свойства физического пространства (размерность, неограниченность и т. п.) никак не зависят от присутствия или отсутствия материальных тел. В общей теории относительности оказывается, что материальные тела модифицируют свойства пространства, а точнее, пространства-времени, «искривляют» пространство-время.
Одним из постулатов любой физической теории (Ньютона, ОТО и т. д.) является постулат о реальности того или иного математического пространства (например, Евклидова у Ньютона).
См. также
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Пространство в физике" в других словарях:
Общая теория относительности … Википедия
Пространство понятие, используемое (непосредственно или в словосочетаниях) в обыденной речи, а также в различных разделах знаний. Пространство на уровне повседневного восприятия Математика Трёхмерное пространство Аффинное пространство Банахово… … Википедия
Категории, обозначающие осн. формы существования материи. Пр во (П.) выражает порядок сосуществования отд. объектов, время (В.) порядок смены явлений. П. и в. осн. понятия всех разделов физики. Они играют гл. роль на эмпирич. уровне физ. познания … Физическая энциклопедия
Всеобщие формы бытия материи, её важнейшие атрибуты. В мире нет материи, не обладающей пространственно временными свойствами, как не существует П. и в. самих по себе, вне материи или независимо от неё. Пространство есть форма бытия… … Философская энциклопедия
Фундаментальное (наряду с временем) понятие человеческого мышления, отображающее множественный характер существования мира, его неоднородность. Множество предметов, объектов, данных в человеческом восприятии одновременно, формирует сложный… … Философская энциклопедия
Пространство основных функций структура, с помощью которой строится пространство обобщённых функций (пространство линейных функционалов на пространстве основных функций). При этом если обобщённые функции имеют большое значение в… … Википедия
- (в математике) функциональное пространство, состоящее из функций из пространства Лебега (), имеющих обобщенные производные заданного порядка из. При пространства Соболева являются банаховыми пространствами, а при p=2 пространства Соболева … Википедия
пространство - ПРОСТРАНСТВО фундаментальное понятие повседневной жизни и научного знания. Его обычное применение непроблематично в отличие от его теоретической экспликации, поскольку последнее связано с множеством других понятий и предполагает… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки
Культуры важнейший аспект модели мира, характеристика протяженности, структурности, сосуществования, взаимодействия, координации элементов отд. культуры и соответствующих отношений между культурами, а также смысловой… … Энциклопедия культурологии
- ☼ важнейший аспект модели мира, характеристика протяженности, структурности, сосуществования, взаимодействия, координации элементов отд. культуры и соответствующих отношений между культурами, а также смысловой наполненности для человека… … Энциклопедия культурологии
Книги
- Пространство синергетики. Взгляд с высоты , Г. Г. Малинецкий. На сегодняшний день синергетика представляет собой одну из наиболее значимых альтернатив в сфере междисциплинарного диалога между естественными и социально-гуманитарными науками. В России…
ПРОСТРАНСТВО В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ
В этой главе мы будем иметь дело с пространством, каким оно выступает в классической физике. Это значит, что мы постараемся найти «интерпретацию» (но необходимо только одну, единственно возможную) для геометрических терминов, употребляемых в физике. В отношении пространства встают гораздо более сложные и трудные проблемы, чем в отношении времени. Это происходит отчасти из-за проблем, встающих здесь благодаря теории относительности. Однако сей час мы не будем рассматривать теорию относительности и будем трактовать пространство как нечто не связанное с временем, как поступали физики до Эйнштейна.
Для Ньютона пространство, как и время, было «абсолютным»; это значит, что оно состоит из совокупности точек, каждая из которых лишена структуры и представляет собой конечную составную часть физического мира. Каждая точка вечна и неизменна; изменение заключается в том, что точка иногда «занимается» то одной частью материи, то другой, а иногда остается незанятой. Вопреки этому взгляду Лейбниц утверждал, что пространство есть только система отношений, причем члены отношений материальны, а не просто геометрические точки. Хотя и физики, и философы все больше и больше склонялись к лейбницевскому взгляду, однако же аппарат математической физики продолжал оставаться ньютоновским. В математическом аппарате «пространство» все ещё является собранием «точек», из которых каждая определяется тремя координатами, а «материя» - собранием «частиц», каждая из которых занимает разные точки в разное время. Если мы не обязаны соглашаться с ньютоновским приписыванием точкам физической реальности, то эта система требует такой интерпретации, в которой «точки» имеют структурное определение.
Я употребил выражение «физическая реальность», которое могут считать слишком метафизичным. То, что я имею в виду, можно выразить в форме более приемлемой для современного вкуса с помощью техники минимальных словарей. Если дана совокупность имен, то может случиться, что некоторые из названных вещей имеют структурное определение в терминах других определений; в этом случае мы будем иметь минимальный словарь, не содержащий таких имен, вместо которых могут быть подставлены определения. Например, каждый француз имеет собственное имя, и слова «нация французов» могут тоже рассматриваться как собственное имя, но оно не необходимо, поскольку мы можем сказать, что «нация французов» определяется как «класс, состоящий из следующих индивидуумов (следует перечень всех индивидуумов)». Такой метод применим только к закрытым классам, но существуют другие методы, не связанные таким ограничением. Мы можем определить «Францию» через указание её географических границ и тогда определить «француза» как человека «родившегося во Франции».
Для этого процесса замещения имен структурными определениями в практике имеются явные границы, и, может быть (хотя это и не бесспорно), есть также границы и в теории. Предположив ради простоты, что материя состоит из электронов и протонов, мы могли бы, в теории, дать собственное имя каждому электрону и каждому протону; мы могли бы тогда определить какой-либо индивидуум посредством упоминания электронов и протонов, составляющих его тело в разное время; таким образом, имена человеческих индивидуумов теоретически оказались бы излишними. Говоря вообще, все то, что обладает доступной анализу структурой, не нуждается в имени, поскольку может быть определено с помощью имен ингредиентов и слов, обозначающих их отношения. С другой стороны, все то, что не имеет познанной структуры, нуждается в имени, если нам нужно выражать все наше знание о нем.
Следует заметить, что обозначающее определение не делает имя излишним. Например, «отец Александра Великого» есть обозначающее определение, но оно не позволяет нам выразить факт, который современники могли бы выразить словами «этот человек есть отец Александра», где слово «этот» выполняет функцию имени.
Когда мы отрицаем ньютоновскую теорию абсолютного пространства, продолжая в то же время пользоваться в математической физике тем, что мы называем «точками», наши действия оправдываются только в том случае, если имеется структурное определение «точки» и (в теории) отдельных точек, Такое определение должно достигаться посредством методов сходных с теми, которыми мы пользовались при определении «моментов». Здесь, однако, следует сделать две оговорки: во-первых, что наше многообразие точек должно быть трехмерным и, во-вторых, что точку мы должны определять как момент. Сказать, что точка P, находящаяся в одном времени, тождественна с точкой О, находящейся в другом времени значит сказать нечто, не имеющее определенного смысла, кроме условного, зависящего от выбора материальных осей. Но так как этот вопрос связан с теорией относительности, я не буду сейчас рассматривать его подробно и ограничусь определением точек в данный момент, игнорируя при этом трудности, связанные с определением одновременности.
В последующем я не подчеркиваю именно тот метод построения точек, который я применяю. Другие методы также возможны, и некоторые из них могут даже оказаться более предположительными. Важно отметить только то, что можно изобрести такие методы. В определении моментов мы использовали отношение «совпадения» во времени - отношение, которое имеет место между двумя событиями, когда (в обычном языке) имеется время, в течение которого оба существуют. В определении точек мы пользуемся отношением «совмещения» в пространстве, которое должно иметь место между двумя одновременными событиями, занимающими (в обычном языке) одну и ту же область пространства в целом или частично. Следует заметить, что события, в противоположность частям материи, не следует считать взаимонепроницаемыми. Непроницаемость материи есть свойство, которое тавтологически вытекает из её определения. «События», однако, определяются только как термины, не обладающие структурой и имеющие такие пространственные и временные отношения, которые принадлежат конечным объемам пространства и конечным периодам времени. Когда я говорю «такие, которые», я имею в виду «сходные в отношении логических свойств». Но «совпадение» само по себе не определяется логически; оно является эмпирически познаваемым отношением, имеющим в том построении, которое я защищаю, только наглядное определение.
В многообразии более одного измерения, посредством бинарного отношения «совмещения», мы ничего не можем построить такого, что обладало бы свойствами, требуемыми от «точек». В качестве простейшего примера возьмем фигуры на плоскости.
Три фигуры на плоскости - А, В и С - могут налегать друг на друга так, что каждая налегает на две остальные, и вместе с тем так, что нет области, общей для всех трех фигур. На приведенном рисунке круг А налегает на прямоугольник В и треугольник С, а прямоугольник В налегает на треугольник С, но при этом нет области, общей для А, В и С. Основанием нашей конструкции должно быть отношение не двух, а трех фигур. Мы будем говорить, что три площади являются «соточечными» (copunctual), когда имеется область, общая для всех трех фигур. (Это - объяснение, а не определение.)
Мы будем исходить из того, что фигуры, с которыми мы имеем дело, или являются кругами, или получаются из кругов благодаря растяжениям или сжатиям, при которых сохраняется овальность. В этом случае если даны три соточечные фигуры А, В и С и четвертая фигура D такая, что и Л, В, D и А, С, D, и В, С, D соточечны, то A, В, С и D все имеют общую область.
Мы теперь называем группу, состоящую из любого числа фигур, «соточечной», если каждая триада из этой группы будет соточечной. Соточечная группа фигур представляет собой «точку», если она не может быть расширена, не перестав быть соточечной, то есть если для любой фигуры X, не принадлежащей группе, в этой группе имеются по крайней мере две фигуры А и В, такие, что А, В и Х не являются соточечными.
Это определение применимо только в двух измерениях. В трех измерениях мы должны начинать с отношения соточечности между четырьмя пространственными фигурами, причем все эти фигуры должны быть или сферами, или такими овалоидами, которые получаются из сфер благодаря непрерывному растяжению в одних направлениях и сжатию в других. Тогда, как и перед этим, соточечная группа фигур является такой, в которой каждые четыре фигуры соточечны; соточечная группа представляет собой «точку», если она не может быть расширена, не перестав быть соточечной.
В n измерениях определения остаются одними и теми же, за исключением того, что первоначальное отношение соточечности должно относиться к л +1 фигурам.
«Точки» определяются как классы событий с помощью вышеприведенных методов и с молчаливым предположением, что каждое событие «занимает» более или менее овальную площадь.
«События» должны пониматься в этом обсуждении как неопределенный сырой материал, из которого должны быть получены геометрические определения. В другом контексте нам может понадобиться исследовать то, что понимается под «событиями», и мы сможем тогда продолжать наш анализ дальше, а сейчас мы рассматриваем многообразие «событий» с их пространственными и временными отношениями как эмпирические данные.
Способ, с помощью которого пространственный порядок вытекает из наших предположений, является несколько сложным. Однако здесь я ничего не буду говорить об этом, так как разбирал этот вопрос в книге «Анализ материи», где я дал также и гораздо более полный разбор определения «точек» (главы 28 и 29).
Кое-что следует сказать о метрических свойствах пространства. Астрономы в своих популярных книгах поражают нам прежде всего рассказами о том, как безмерно далеко находятся от нас многие туманности, а затем утверждениями, что вселенная в конце концов конечна, будучи трехмерным аналогом поверхности сферы. Но в своих менее популярных книгах они говорят, что измерение носит только условный характер и что мы могли бы, если бы захотели, принять такие условия, которые привели бы к тому, что самые удаленные из известных нам туманностей северного полушария оказались бы к нам ближе, чем туманности противоположного полушария. Если это так, то обширность вселенной является не фактом, а результатом условий. Я думаю, что это верно только отчасти, но выделить элемент условности в измерении это отнюдь не легкое дело. Прежде чем попытаться сделать это, следует кое-что сказать об измерении в его элементарных формах.
Измерение расстояния даже до удаленных туманностей строится на основе измерений расстояний на поверхности Земли, а наземные измерения начинаются с допущения, что некоторые тела могут рассматриваться как приблизительно жесткие (rigid). Если вы измеряете величину вашей комнаты, то вы исходите из того, что ваша измерительная линейка не становится заметно длиннее или короче в процессе измерения. Английская военно-топографическая съемка определяет большинство расстояний посредством триангуляции, но этот процесс требует, чтобы по крайней мере одно расстояние было измерено непосредственно. Действительно, основная линия, избранная на Солсберийской равнине, была тщательно измерена элементарным способом, каким мы измеряем величину нашей комнаты: цепь, которую можно принять по определению за единицу длины, повторно укладывалась на поверхности земли вдоль линии, которая была прямой, насколько это было возможно. Когда эта длина была определена непосредственно, остальное измерение производилось посредством измерения углов и соответствующих вычислений: диаметр Земли, расстояние до Солнца и Луны и даже расстояния до ближайших неподвижных звезд могут быть определены без какого-либо дальнейшего непосредственного измерения длин.
Но если этот процесс исследовать тщательно, то оказывается, что он полон трудностей. Допущение, что тело «жестко», не имеет определенного смысла, пока мы не установим метрики, позволяющей нам сравнить длины и углы в один момент времени с длинами и углами в другой момент времени, так как «жесткое» тело не изменяет ни своей формы, ни величины. Но тогда мы нуждаемся в определении «прямой линии», так как все наши результаты будут неверными, если основная линия на Солсберийской равнине и линии, употребляемые в процессе триангуляции, не прямые. Следовательно, оказывается, что измерение предполагает геометрию (позволяющую определить «прямую линию») и достаточные познания в физике, дающей основания для рассмотрения некоторых тел приблизительно жесткими и для сравнения расстояний, измеренных в один момент времени, с измеренными в другой момент. Связанные с этим затруднения трудно преодолимы, но прикрываются допущениями, принятыми в соответствии с обыденным здравым смыслом.
Обыденный здравый смысл допускает, грубо говоря, что тело является жестким, если оно выглядит жестким. Рыба угорь не выглядит жесткой, а стальной стержень выглядит таковым. С другой стороны, камешек на дне журчащего ручья может казаться извивающимся, как угорь, но с точки зрения обыденного здравого смысла этот камешек является тем не менее жестким, потому что осязание считается с этой точки зрения более надежным, чем зрение, а когда вы переходите ручей вброд босиком, то вы именно осязаете, что камешек жесткий. Рассуждая таким образом, следует сказать, что обыденный здравый смысл является как бы ньютонианцем: он убежден, что в каждый момент тело обладает внутренне присущей ему определенной формой и величиной, такой же или не такой, как его форма и величина в другой момент. Если пространство абсолютно, то это убеждение имеет какой-то смысл, но без абсолютного пространства оно сразу же теряет всякий смысл. Должно, однако, существовать такое истолкование физики, которое объясняло бы весьма значительные успехи, проистекающие из допущений обыденного здравого смысла.
Как и в измерении времени, здесь действуют три фактора: во-первых, допущение, доступное исправлению; во-вторых, физические законы, которые при этом допущении оказываются приблизительно верными; в-третьих, изменение допущения, делающее физические законы более точными. Если вы допустите, что стальной стержень, выглядящий зрительно и осязательно жестким, сохраняет свою длину неизменной, то вы найдете, что расстояние от Лондона до Эдинбурга, диаметр Земли и расстояние до Сириуса почти постоянны, но немного короче при теплой погоде, чем при холодной. Тогда окажется, что проще сказать, что ваш стальной стержень при нагревании расширяется, особенно когда вы найдете, что это позволяет вам рассматривать вышеупомянутые расстояния как почти постоянные, и, далее, сказать, что вы видите, как ртуть в термометре занимает больше пространства в теплую погоду. Вы, следовательно, допускаете, что жесткие по видимости тела расширяются от теплоты, и вы допускаете это для того, чтобы упростить формулировку физических законов.
Попробуем выяснить, что в этом процессе является условным и что оказывается физическим фактом. Физическим фактом является то, что если вы возьмете два стальных стержня одинаковой комнатной температуры и по видимости одинаковой длины и нагреете один из них на огне, а другой положите в снег, то, когда вы после сравните их, окажется, что тот, который был на огне, будет выглядеть несколько длиннее, чем тот, который был в снегу, но когда они оба снова будут иметь температуру вашей комнаты, эта разница исчезнет. Я здесь исхожу из допущения донаучных методов определения температуры: горячим или холодным телом считаю то, что горячо или холодно на осязание. В результате таких грубых донаучных наблюдений мы решаем, что термометр дает точное измерение того, что приблизительно измеряется нашими осязательными ощущениями тепла и холода; мы можем теперь в качестве физиков игнорировать эти осязательные ощущения и обращаться только к термометру. Было бы тавтологией говорить, что ртуть в моем термометре поднимается вместе с повышением температуры, существенным же фактом является то, что все другие термометры ведут себя подобным же образом. Этот факт устанавливает сходство между поведением моего термометра и поведением других тел.
Но элемент условности не вполне таков, каким я его установил. Я не исхожу из предположения, что мой термометр правилен по определению; наоборот, всеми признается, что каждый действующий термометр более или менее неточен. Идеальный термометр, к которому действующие термометры только приближаются, есть такой, который, будучи принят за точный, делает общий закон расширения тел при повышении их температуры настолько точным, насколько это возможно. Эмпирическим фактом является то, что благодаря соблюдению определенных правил при изготовлении термометров мы можем делать их все более и более приближающимися к идеальному термометру, и именно этот факт оправдывает концепцию температуры как величины, имеющей для данного тела в данное время некоторое точное значение, которое может слегка отклоняться от значения, даваемого всяким действующим термометром.
Этот процесс одинаков во всех физических измерениях. Грубые измерения ведут к приблизительному закону; изменения в измерительных приборах (подчиняющиеся правилу, что все инструменты для измерения одной и той же величины должны давать насколько возможно точно один и тот же результат) способны делать закон все более точным. Наилучшим инструментом считается такой, который дает наивысшую возможную степень точности закона, причем считается, что идеальный инструмент мог бы сделать закон абсолютно точным.
Данное положение хотя и может показаться сложным, все-таки еще недостаточно сложно. Этот процесс иногда бывает связан только с одним законом, и очень часто случается, что и самый закон приблизителен. Измерения различных величин взаимозависимы, как мы это только что видели в примере с длиной и температурой, так что изменение в способе измерения одной величины может изменить меру другой величины. Законы, условия и наблюдения отдельных фактов бывают почти неразрешимым образом связаны и смешаны в реальном процессе развития науки. Результат наблюдения обычно устанавливается в форме, которая предполагает определенные законы и определенные условные допущения; если результат противоречит системе принятых до этого законов и условных допущений, то исследователю может быть предоставлена значительная свобода в выборе того, какой из этих законов или условных допущений должен быть изменен. Избитым примером этого является эксперимент Майкельсона-Морли, в котором оказалось, что самое простое его истолкование влечет за собой радикальное изменение временных и пространственных измерений.
Но вернемся к измерению расстояния. Здесь имеется большое число грубых донаучных наблюдений, которые наводят на мысль о действительно применяемых методах измерения. Если вы идете или едете на велосипеде по гладкой дороге, применяя равномерное и одинаковое усилие для движения, то вам потребуется приблизительно одинаковое время для каждой следующей одна за другой мили дороги. Если дорога асфальтируется, то количество материала, необходимое для одной мили, будет приблизительно таким же, которое потребуется и для другой мили. Если вы едете по дороге на автомобиле, то время, затрачиваемое на каждую милю, будет приблизительно таким, какое вы предвидите на основании показаний вашего спидометра. Если вы основываете тригонометрические вычисления, исходя из предположения, что все последующие мили одинаковы, то результаты будут в очень близком соответствии с результатами, полученными с помощью непосредственного измерения. И так далее. Все это показывает, что числа, получаемые обычными процессами измерения, имеют большое значение для физики и дают основание для многих физических или физиологических законов. Но эти законы, будучи сформулированы, дают основание для улучшения процессов измерения и для признания результатов улучшенных процессов более «точными», хотя на самом деле они являются только более удобными.
В понятии «точности», однако, имеется один элемент, который не просто только удобен. Мы привыкли к аксиоме, что две вещи, порознь равные одной и той же третьей, равны между собой. Эта аксиома имеет показную и обманчивую видимость очевидности вопреки тому, что эмпирическое свидетельство против нее. Самыми тонкими испытаниями, какие только можно применить, вы можете обнаружить, что А равно В и что В равно С, но что А заметно не равно С Когда это получается, мы говорим, что А в действительности не равно В или что В не равно С. Довольно странно, что мы склонны это утверждать, когда техника измерения совершенствуется. Но настоящая основа нашей веры в эту аксиому не эмпирична. Мы верим, что равенство состоит в обладании общим свойством. Две длины равны, если они имеют одну и ту же величину, и именно эту величину мы и выражаем при измерении. Если мы правы в этом, то аксиома логически необходима. Если A и B имеют одну и ту же величину и если В и С имеют ту же самую величину, то А и С необходимо имеют эту же величину, если только все измеряемое имеет только одну величину.
Хотя эта вера в величину как свойство, которое может быть общим для разных измеряемых вещей, скрыто и влияет на обыденный здравый смысл в его понимании того, что является очевидным, все-таки мы не должны принимать эту веру, пока не имеем свидетельства ее истинности в том частном вопросе, который мы рассматриваем. Вера в то, что у каждого из ряда членов имеется такое свойство, логически эквивалентна вере, что существует транзитивное симметричное отношение, имеющее место между любыми двумя членами ряда. (Эта эквивалентность есть то, что я раньше назвал «принципом абстракции».) Таким образом, утверждая, что имеется ряд величин, называемых «расстояниями», мы утверждаем следующее: между точками любой одной пары точек и точками любой другой пары имеет место или симметричное транзитивное отношение или асимметричное транзитивное отношение. В первом случае мы говорим, что расстояние между точками одной пары равно расстоянию между точками другой пары; в последнем случае, в соответствии со смыслом отношения, мы говорим, что первое расстояние меньше или больше, чем второе. Расстояние между двумя точками может быть определено как класс пар точек, имеющих между собой равные расстояния.
Это все, что мы можем сказать по вопросу измерения, не входя в обсуждение вопроса об определении прямых линий, которым мы теперь должны заняться.
Прямая линия возникла как оптическое понятие обыденного здравого смысла. Некоторые линии выглядят прямыми. Если прямой стержень держать концом против глаза, то его ближайшая к глазу часть скроет все остальное, тогда как если стержень искривлен, то будет видна та его часть, которая находится за искривлением. Имеются, конечно, также и другие основания обыденного здравого смысла в пользу понятия прямой линии. Если тело вращается, то образуется прямая линия - ось вращения, - которая остается неподвижной. Если вы едете стоя в вагоне метро, то вы можете определить, когда поезд идет по кривой, на основании того, что ваше тело имеет тенденцию наклоняться при этом в ту или другую сторону. Существует также возможность до определенной степени устанавливать прямизну посредством осязания; слепые почти так же хорошо определяют формы, как и зрячие.
В элементарной геометрии прямые линии определяются в целом; их главной характеристикой является то, что прямая линия определена, если даны две ее точки. Возможность рассмотрения расстояния как прямолинейного отношения между двумя точками зависит от предположения, что существуют прямые линии. Но в современной геометрии, приспособившейся к нуждам физики, нет прямых линий в евклидовом смысле, и «расстояние» определяется двумя точками только тогда, когда они расположены очень близко друг к другу. Когда две точки расположены далеко друг от друга, мы должны сначала решить, по какому маршруту мы будем двигаться от одной к другой, и затем сложить много мелких отрезков этого маршрута. «Самой прямой» линией между этими двумя точками будет та, в которой сумма отрезков будет минимальной. Вместо прямых линий мы должны употреблять здесь «геодезические линии», которые являются более короткими маршрутами от одной точки к другой, чем любые другие отличающиеся от них маршруты. Это нарушает простоту измерения расстояний, которое становится зависимым от физических законов. В получающихся в результате этого усложнениях в теории геометрического измерения нельзя разобраться без более тщательного исследования связи физических законов с геометрией физического пространства.
24. Пространство и время. Пространство и время как всеобщие формы существования материи. Принцип единства мира Пространство - это некая материальная или логически мыслимая среда совместного существования материальных или мыслимых объектов.Логически мыслимое
Глава 4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КОЛИЧЕСТВО И КАЧЕСТВЕННОЕ ПРОСТРАНСТВО Выше мы уже видели, что протяженность не является просто и исключительно модусом количества, или, иными словами, если и можно с уверенностью говорить о протяженном или пространственном количестве, то сама
Глава 23. ВРЕМЯ, ПРЕВРАЩАЮЩЕЕСЯ В ПРОСТРАНСТВО Как мы говорили раньше, время в некотором смысле истощает пространство через воздействие силы сжатия, которую оно представляет и которая стремится все больше и больше сократить пространственное расширение, которому она
ГЛАВА 6 ПРОСТРАНСТВО В ПСИХОЛОГИИ Психология имеет дело с пространством не как с системой отношений между материальными объектами, а как с характерной чертой наших восприятий. Если бы мы могли стать на точку зрения наивного реализма, то это различие не имело бы большого
ГЛАВА 7 ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ Всякий знает, что Эйнштейн вместо понятий пространства и времени ввел понятие пространства-времени, но люди, незнакомые с математической физикой, имеют обычно только очень смутное понятие о сущности этой замены. Так как эта замена является
Логика построения развитых теорий в классической физике В науке классического периода развитые теории создавались путём последовательного обобщения и синтеза частных теоретических схем и законов.Таким путём были построены фундаментальные теории классической физики
Глава 4 ЧЕМ ЗАПОЛНЕНО ПРОСТРАНСТВО ВСЕЛЕННОЙ Эту главу мы начнем с напоминания о том, что согласно современным фундаментальным физическим теориям, пространство и время представляют собой формы существования материи. Быть может, это упоминание покажется некоторым нашим
Вычислимость в классической физике: где мы находимся? На протяжении всей этой главы я старался не упускать из виду проблему вычислимости и, проводя различие между вычислимостью и детерминизмом, стремился показать, что первая может иметь не меньшее значение, коль скоро
Глава 17 Сцепленность в физике и психологии Исследователи, мистики и все, кого интересует помощь в создании лучшего мира, нуждаются во многих разных видах ключей к будущему. Ключ, на котором я сосредоточиваюсь в этой книге, состоит в том, чтобы живя, работая и играя в
Министерство науки, высшей школы и технической политики
Саратовский ордена трудового красного знамени государственный
университет им. Н. Г. Чернышевского
РЕФЕРАТ ПО ФИЛОСОФИИ
соискателя звания к.ф.-м.н.
инженера кафедры физики твёрдого тела
Бабаяна Андрея Владимировича.
Тема: Пространство и время в физике.
г.Саратов - 1994 г.
ВВЕДЕНИЕ 2
1. Развитие пространственно-временных представлений
в классической механике 3
2. Пространство и время в теории относительности
Альберта Эйнштейна 8
2.1. Специальная теория относительности 8
2.2. Пространство и время в общей теории
относительности и релятивистской
космологии 10
3. Пространство и время в физике микромира 15
3.1. Пространственно-временные представления
квантовой механики 15
3.2. Прерывность и непрерывность пространства и
времени в физике микромира 18
3.3. Проблема макроскопичности пространства и
времени в микромире 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23
ЛИТЕРАТУРА 24
ВВЕДЕНИЕ.
Диалектический материализм исходит из того, что "в мире
нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не
может двигаться иначе, как в пространстве и во времени"(*).
Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными
формами существования материи. Классическая физика
рассматривала пространственно - временной континуум как
универсальную арену динамики физических объектов. Однако
развитие неклассической физики (физики элементарных частиц,
квантовой физики и др.) выдвинуло новые представления о
пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно
связаны между собой. Возникли разные концепции: согласно одним,
в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного
пространства, а физические объекты являются только проявлениями
этого пространства. Согласно другим, пространство и время
присущи лишь макроскопическим объектам.
Как видно, современная физика настолько разрослась и
потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо
противоположные утверждения о природе и статусе пространства и
времени. Этот факт требует тщательного исследования, так как
может показаться, что представления современной физики
противоречат фундаментальным положениям диалектического
материализма.
Правда, следует отметить, что в современной физике речь
идет о пространстве и времени как о физических понятиях, как о
конкретных математических структурах, наделенных
соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациями
в рамках оределённых теорий, и что выяснение макроскопичности
подобных структур не имеет прямого отношения к положению
диалектического материализма об универсальности пространства и
времени, так как в этом речь идет уже о философских категориях.
Начинать исследование целесообразно с представлений
античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития
пространственно - временных представлений вплоть до наших дней.
ДДДДДДДДД
(*) Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181.
1. РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННЫХ
ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ.
В анализе античных доктрин о пространстве и времени
остановимся на двух: атомизме Демокрита и системе Аристотеля.
Атомистическая доктрина была развита материалистами
Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрины,
всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек
материи (атомов), которые двигаются, сталкиваются и
сочетаются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (
небытие) являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не
уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности
времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время.
Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.
Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически
неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты. Множество
атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один
большой атом, исчерпывающий собой мир.
Сама же концепция была основана на атомах, которые в
сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира. В
основе этих атомов лежат амеры (пространственный минимум
материи). Отсутствие у амеров частей служит критерием
математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а
последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с
представлениями современной физики о кварках.
Характеризуя систему Демокрита как теотию структурных
уровней материи - физического (атомы и пустота) и
математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя
пространствами: непрерывное физическое пространство как
вместилище и математическое пространство, основанное на амерах
как масштабных единицах протяжения материи.
В соответствии с атомистической концепцией пространства
Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В
дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур
рассмотривал свойства механического движения исходя из
дискретного характера пространства и времени. Например,
свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с
одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии
состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один
"атом" пространства за один "атом" времени.
Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа
пространства и времени. В их представлениях были реализованы
субстанциальная и атрибутивная концепции.
Аристотель начинает анализ с общего вопроса о
существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о
существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени
ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное
внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель
показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но
оно не есть и само движение.
В такой модели времени реализована реляционная концепция.
Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью
любого периодического движения, но, для того чтобы полученная
величина была универсальной, необходимо использовать движение с
максимальной скоростью. В современной физике это скорость
света, в античной и средневековой философии - скорость движения
небесной сферы.
Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего
отношения предметов материального мира, оно понимается как
Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели
мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но
это лишь один из уровней космоса Аристотеля. Его
космологическая модель функционировала в конечном неоднородном
пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос
был разделен на земной и небесный уровни. Земной состоит из
четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из
эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении.
Эта модель просуществовала около двух тысячелетий.
Однако в системе Аристотеля были и другие положения,
которые оказались более жизнеспособными и во многом определили
развитие науки вплоть до настоящего времени. Речь идёт о
логическом учении Аристотеля на основе которого были
разработаны первые научные теории, в частности геометрия
В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами
встечаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем
арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые
считались решёнными. В таком подходе представлена модель
теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая система и
эмпирический базис связываются операционными правилами.
Геометрия Евклида является первой логической системой понятий,
трактующих поведение каких-то природных объектов. Огромной
заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории
твёрдого тела и световых лучей.
Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины
мира как в эмпирическом, так и в теоретико-логическом плане. С
помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были
революционные представления Н. Коперника, который развил
гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории
1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов
которого находится Солнце.
2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты,
изменяется пропорционально времени.
3. Квадраты времён обращения планет вокруг Солнца относятся как
кубы их средних расстояний от Солнца.
Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания
концепций пространства и инерции: у Галилея признаётся пустое
пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошёл до
идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое
пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и
прямолинейное инерциальное движение.
Для Декарта не характерен осознанный и систематический
учёт относительности движения. Его представления ограничены
рамками геометризации физических объектов, ему чужда
ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления
изменению. Для Ньютона же характерна динамическая трактовка
массы, и в его системе это понятие сыграло основопологающую
роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя,
ибо это требуется неизменностью божества. То же самое
достоверно для Ньютона вследствие массы тела.
Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на
