Evoluția conceptelor de spațiu și timp. Esența conceptelor originale de spațiu și de timp a fost de a se asigura că acestea sunt anumite condiții exterioare ale vieții, existente în mod independent de materie. Pe baza unor astfel de reprezentări Newton a dezvoltat conceptul de spațiu și de timp absolut. Conform acestui concept de „spațiu absolut prin însăși natura sa, indiferent de ce altceva extern, rămâne întotdeauna similare și imobile“; „Absolut, timp adevărat și matematic, de sine și de propria sa natură curge în mod egal și fără a ține seama absolut nimic în afara ...“. Cu alte cuvinte, timp și spațiu, nu există nici procese materiale și absolut independent de acestea.
Problema spațiu și timp sunt strâns legate de conceptul de rază scurtă de acțiune și cu rază lungă. Să ne amintim că rază lungă de interpretat (în special, Newton), ca o distribuire instantanee a efectelor gravitaționale și electrice prin spațiul absolut gol. In contrast, conceptul scurt (acest concept aderat Descartes, Huygens, Faraday Maxwell) se bazează pe ideea că spațiul este umplut cu eter, în care orice interacțiune este transmis de la un punct la altul, astfel încât lumina (și orice alte unde electromagnetice) se propagă la o rată finită . Este această înțelegere a interacțiunii și a spațiului apărut în cadrul fizicii clasice, în secolul XX (după respingerea ipotezei de eter) a fost dezvoltat în cadrul teoriei relativității și a mecanicii cuantice.
Conform conceptului actual (relativist), dezvoltat de Einstein în teoria relativității, spațiu și timp sunt anumite forme de coordonare a obiectelor materiale și procese, caracteristicile și natura care, la rândul său, determină proprietățile de bază ale spațiului și timpului. Disponibilitatea de spațiu și timp, conținutul unificat - în mișcare materia - arată relația de spațiu și timp, imposibilitatea existenței lor complet independente una de cealaltă. Odată cu apariția și dezvoltarea teoriei relativitatii, oamenii de știință nu se mai ia în considerare spațiu și timp ca două atribute ale materiei - o recunoaștere generală în științele naturale și filosofia sa ajuns la concluzia că acestea ar trebui să fie combinate în conceptul de continuum de patru dimensiuni, și privit ca o singură formă de existență a materiei - „spațială-timp“.
Proprietățile de bază ale spațiului și timpului. Luați în considerare proprietățile generale și specifice de spațiu și timp. Primul svoystvotnosyat grup:
1. Obiectivitatea (independența minții umane).
2. Absolut, versatilitate (spațiu și timp sunt forme universale de existență a materiei, manifestate în toate nivelurile sale structurale și în toate etapele dezvoltării sale).
3. comunicațiile continuitatea și spațiu-timp între ele și cu materia în mișcare.
4. Continuitatea structurii - absența oricăror lacune în spațiu și timp.
5. infinit cantitativă și calitativă, inseparabilă de infinitatea structurală a materiei (este imposibil de a găsi un loc în care spațiul și timpul nu sunt disponibile).
Proprietățile specifice includ spațiu tridimensional, omogen și izotrop. Tridimensional înseamnă că spațiul în care se realizează toate procedeele cunoscute și interacțiunile, are trei dimensiuni și poziția oricărui obiect poate fi specificat folosind trei variabile independente (coordonate).
spațiu Uniformitatea înseamnă proprietățile de identitate ale tuturor punctelor în spațiu (absența oricăror puncte izolate). spațiu Uniformitatea corespunde simetria transferului sistemului de coordonate - orice proces fizic este exact la fel în cazul în care transporta la orice alt punct în spațiu.
Sub izotropia de spațiu pentru a înțelege proprietățile sale independent de direcția de luarea în considerare a acestor proprietăți (egalitatea toate direcțiile posibile în spațiu). Spațiul izotropă orice proces fizic este același în cazul în care pune în aplicare în orice alt cadru de referință, rotită cu un unghi arbitrar (rotație simetrie în raport cu sistemul de coordonate).
Timpul caracterizează de obicei proprietăți specifice, cum ar fi dimensională omogenitate, ireversibilitate.
Odnomernostvremeni manifestat într-o secvență lineară de evenimente asociate între ele, și (spre deosebire de spațiu) pentru a determina poziția în timp, să coordoneze doar o singură dată. Mai mult, spre deosebire de spațiul având caracteristicile izotropie și omogenitate, în timp ce posedă numai proprietatea de omogenitate, care constă în egalitatea tuturor aspectelor sale.
timp Uniformitatea înseamnă că orice proces fizic este aceeași dacă se repeta printr-un interval de timp arbitrar (simetrie în ceea ce privește schimbările în momentul de pornire). Proprietățile omogenitatea spațiului și timpului, și izotropia spațiului, așa cum va fi prezentat mai jos, este strâns legată de legile fundamentale ale fizicii - legile de conservare.
Ireversibilitatea timpului este o proprietate, ceea ce înseamnă că schimbarea unidirecțional din trecut spre viitor, curgerea timpului și a reveni la trecut imposibilul. Ireversibilitatea timpului asociat cu un curs ireversibil al proceselor fizice fundamentale.
Principiul relativității. Principiul clasic al relativității (principiul fizic al egalității sistemelor inerțiale), formulată de Galileo în 1636, este după cum urmează: în toate inerțial cadre de referință mișcarea corpurilor se realizează conform acelorași legi. Reamintim că numitul sistem de referință inerțial, în care legea inerției: un punct material atunci când nici o forță (sau sunt forțe reciproc echilibrate), se află în stare de repaus sau de mișcare rectilinie uniformă. Strict vorbind, conceptul de sistem de referință inerțial este o abstracție științifică, orice cadru reală de referință este întotdeauna asociat cu un anumit corp (de exemplu, Pământul). În conformitate cu principiul clasic al relativității orice experimente mecanice, efectuate în sistemul de referință inerțial nu poate determina sistemul este în repaus sau în mișcare uniform și rectiliniu. Acest principiu, acționând ca unul dintre principiile de invarianță, a fost punctul de plecare al teoriei relativității a lui Einstein.
Este ușor de înțeles că descrierea oricărui fenomen fizic depinde de cadrul de referință al observatorului. De exemplu, pasagerii care se deplasează în tramvai vedea moneda pe care a căzut din mâna unuia dintre ei cade pe verticală, cât și pentru pietoni în picioare pe stradă, mișcarea monedei va fi o parabolă. Astfel, descrierea evenimentelor în timpul tranziției de la un cadru la altul poate fi schimbat, dar legile fizicii, organismele relevante ale căderii (precum și orice alte legi ale naturii) sunt aceleași pentru observatorii care sunt atât în sistemul fix și în mișcare de coordonate.
Cu alte cuvinte, descrierea evenimentului depinde de observator, și legile naturii nu depind de ea, și anume, sunt invariante, aceasta este esența principiului extins al relativității. Aici este o formulare echivalentă a acestui principiu: legile fizicii au aceeași formă în toate sistemele de referință inerțiale. Mai mult decât atât principiul relativității cunoscute din experiența și alte principii invarianta (sau, cu alte cuvinte, simetrie) legile naturii, în special, principiile de simetrie, asociate cu uniformitatea de timp și spațiu.
Bazat pe principiul relativității, Einstein a construit două campanii separate (deși se referă, legate între ele) teorie. Principiul clasic al relativității Galileo a afirmat invarianța legilor mecanicii în toate sistemele de referință inerțiale. Special (privat), teoria relativității a lui Einstein a fost creată ca urmare a încercărilor de a extinde aplicarea acestui principiu la legile electrodinamicii. În teoria generală a relativității a aprobat legile invarianta ale naturii în orice sisteme de referință - atât inerțiale și neinertiale (se deplasează cu o viteză variabilă în raport cu sistemul inerțial).
Teoria Relativitatii. Datorită rolului său deosebit, nu numai în electrodinamica, dar în teoria lui Einstein loc central este viteza luminii. Pentru o lungă perioadă de timp a fost considerat o valoare infinit de mare, valoarea numerică a vitezei luminii în spațiu liber, aproximativ egal la 300.000 km / s, a fost determinată doar secolul XIX. Această valoare este limita superioară a vitezei de orice obiect, valuri și semnale, viteza maximă de transmitere a datelor, precum și orice interacțiuni fizice. În cele mai multe cazuri, viteza luminii în mod disproporționat de mare în comparație cu ratele de organisme din lumea exterioară (de exemplu, viteza Pământului în mișcare orbitei în jurul Soarelui este de aproximativ 30 km / s, iar viteza de Soare, se deplasează în jurul centrului galaxiei, este de aproximativ 250 km / c).
În conformitate cu principiul relativității vitezei avansate luminii în vid trebuie să fie aceeași în toate sistemele de referință inerțiale. Acest principiu, ar părea contrar bunului simț, pentru că lumina de la o sursă de mișcare (indiferent de viteza de el sau mutat) și dintr-o sursă de staționare trebuie să ajungă la observatorul simultan. Cu toate acestea, natura propagarea luminii apare asa.
Pentru a generaliza principiul relativității și să-l extindă la toate legile fizicii, Einstein a trebuit să revizuiască reprezentarea newtonian spațiu-timp. Din teoria specială a relativității ea implică faptul că multe dintre proprietățile de spațiu-timp, considerat încă intacte, absolut, de fapt, acestea nu sunt - ele sunt relative. În special, teoria specială a relativității a pierdut caracterul absolut astfel caracteristicile lor spațio-temporale ca lungimea obiectului (lungime), interval de timp, simultaneitatea evenimentelor. Toate aceste caracteristici, cum Einstein a arătat, depinde de mișcarea reciprocă (relativă) a obiectelor materiale.
Teoria specială a relativității combină spațiu și timp în întregul continuumul spațiu-timp. Conform acestei teorii, proprietățile spațio-temporale ale corpurilor depind de viteza de deplasare - prin creșterea vitezei corpului (până la valori apropiate de viteza luminii) a dimensiunii sale redusă a corpului în direcția de mișcare, procesele temporale sunt încetinite, în plus, crește greutatea corporală.
Când complexul (agregat) deplasarea obiectului material viteza este determinată prin adăugarea vectorilor viteză corespunzătoare componentelor mișcării. În acest sens, viteza relativă - valoarea sa depinde de sistemul în care observatorul. În schimb, mișcarea luminii este fundamental diferită de mișcarea altor obiecte materiale, viteza este mai mică decât viteza luminii - viteza luminii nu se cumulează cu alte viteze, este absolut, aceasta este esența celor mai importante declarații care stau la baza teoriei speciale a relativității.
Viteza neschimbătoare absolută a luminii nu contrazice principiul relativității, și este pe deplin compatibilă cu acesta. Constanței vitezei luminii - a stabilit cu fermitate natura proprietății. Extrem de important este faptul că, fără implicarea celor mai importante valori - viteza luminii - este imposibil de a rezolva problema de simultaneitate a evenimentelor. Simultaneitate în teoria relativității este, de asemenea, relativ, în funcție de sistemul de referință. În mecanica clasică, în care timpul este absolut, absolut este simultaneitatea evenimentelor. În teoria specială a relativității sunt considerate ca fiind efecte paradoxale datorită mișcării corpurilor la o viteză apropiată de viteza luminii, și contrar intuitiile obișnuite despre lume. Cel mai renumit dintre aceste efecte - efect (lent de ceas): încetinind ceasurile care se deplasează în raport cu observatorul, sunt mai lent pentru el decât același ceas în mână.
Teoria generală a relativității. Spre deosebire de teoria specială a relativității generale Relativității (RTG) se aplică oricărui sistem de referință. Matematic GR este mult mai dificil, acesta include un caz special al teoriei speciale a relativității, (și, prin urmare, legile lui Newton). În dependență OTO set de relatii spatio-temporala a proceselor materiale care au loc în spațiu și timp. Baza acestei teorii se bazează pe principiul echivalenței masei gravitaționale și inerțiale, încă montate în fizica clasică: efectele cinematice care rezultă sub acțiunea forțelor gravitaționale efectele inerțiale echivalente care apar sub acțiunea accelerației.
În teoria relativității generale, Einstein dă o nouă interpretare a gravitației. În conformitate cu legea atracției universale între oricare două corpuri din univers există o forță de atracție reciprocă - care este motivul pentru care, în special, pământul se învârte în jurul soarelui. Cu toate acestea, în relativitatea generală, acest fenomen este interpretat în mod diferit: câmpul gravitațional al unui corp este o consecință a deformării (curbura) a spațiu-timp sub influența greutății corporale. Astfel, mai grele (mai masive) corpului, generând gravitația, cu atât mai deformate spațiu-timp în jurul ei, și mai puternic câmpul său gravitațional. Ceea ce observatorul consideră forța gravitației (forța în sensul newtonian), conform relativității generale este o măsură a manifestării exterioare a curburii spațiu-timp. Rețineți că până în prezent această interpretare este explicația cea mai satisfăcătoare a naturii gravitației.
GR este stabilit nu numai spațiu sub curbura câmpului gravitațional, dar, de asemenea, dilatarea timpului în câmpurile gravitaționale puternice, este cu atât mai pronunțată, cu atât mai intens câmpul gravitațional (în câmpul gravitațional cu o rezistență suficient de mare poate fi un timp de oprire completă). Când acest lucru se întâmplă cu emisia de lumină după înclinația mai puternică, cu atât mai mult crește lungimea de undă a scade sale de frecvență de lumină și; la o anumită valoare a câmpului gravitațional al lungimii de undă tinde la infinit, iar frecvența, respectiv, la zero. Pentru un observator, acest efect se manifestă prin aceea că sursa de radiații de lumină este invizibilă, deoarece lumina nu se aplică, nu lăsați sursa. În special, cu lumina emisă de soare, acest lucru ar fi întâmplat atunci când este stors într-o minge cu o rază mai mică de 3 km - apoi (în conformitate cu legea gravitației universale), forța de gravitație aproape de suprafața mingea va crește, astfel încât lumina nu va fi în măsură să părăsească suprafața stelei.
Teoria generală a relativității a fost ultima teorie fizică fundamentală, creată în cadrul creării de imagine electromagnetice a lumii. Înțelegerea modernă a spațiului și a timpului, după cum se poate observa din cele de mai sus, este strâns legată de teoria relativității.