Cea mai importantă sarcină a științei naturale este crearea de imagine naturală-științifică a lumii. În procesul de creare a acesteia ridică problema originii și schimbarea diferitelor produse și fenomene materiale, caracteristicile lor cantitative, calitative. Fizice, chimice și alte cantități asociate în mod direct sau indirect, cu schimbarea lungimii și durate, adică caracteristicile spatio-temporale ale obiectelor. Prin urmare, pentru a le descrie în științele naturale, a apărut ideea de spațiu și timp.
DEZVOLTAREA IDEI DESPRE spațiu și timp
Teoria relativității
Punctul de plecare pentru această teorie a fost principiul relativității. Principiul clasic al relativității a fost formulată de Galileo: în toate inerțial cadre de referință mișcarea corpurilor se realizează conform acelorași legi. cadre Chemat de referinta inertiale care se deplasează în raport cu celălalt în mod uniform și rectiliniu.
Galileo a explicat această poziție în diferite demonstrații. Reprezentați călător într-o navă care navighează calmă cabină închisă. El nu observă nici un semn de circulație. În cazul în care cabina bâzâie muștele, ei nu au acumulat la partea din spate a peretelui, și zbura în condiții de siguranță pe tot parcursul. Dacă arunca o minge drept în sus, acesta va cădea drept în jos, și să nu rămână în urmă nava cade spre pupa.
Din principiul relativității implică faptul că între odihnă și mișcare - dacă este uniform și simplu - nici o diferență fundamentală. Singura diferență este punctul de vedere.
De exemplu, călătorul în cabina navei consideră în mod rezonabil că cartea culcat pe biroul lui, de odihnă. Dar omul de pe banca vede că nava să navigheze, și el are toate motivele să creadă că această carte este în mișcare și, în plus, cu aceeași viteză ca nava. Deci, în mișcare este de fapt o carte sau de odihnă?
Această întrebare nu se poate răspunde în mod clar doar „da“ sau „nu“. Disputa dintre călător și omul de pe mal ar fi o pierdere de timp, în cazul în care fiecare aparat numai punctul de vedere și a respins punctele de vedere ale partenerului. Sunt atât de dreapta, și să-și coordoneze pozițiile lor, au nevoie doar recunosc că această carte este în repaus în raport cu nava și se deplasează în raport țărm cu nava.
Astfel, cuvântul „relativității“ în titlu nu este principiul galilean ascunde nimic special. Ea nu are altă semnificație decât cea pe care am pus în afirmația că mișcarea sau restul - întotdeauna mișcarea sau restul în legătură cu ceva care ne servește drept cadru de referință. Aceasta, desigur, nu înseamnă că între odihnă și mișcare uniformă de nici o diferență. Dar concepte de odihnă și mișcare face sens doar atunci când punctul de referință specificat.
În cazul în care principiul clasic al relativității pretins invarianța legilor mecanicii în toate sistemele de referință inerțiale, teoria specială a relativității, acest principiu a fost extins, de asemenea, legile electrodinamicii și relativității generale a pretins invarianța legilor naturii în toate cadrele de referință, atât inerțială și non-inerțial. Chemat cadre de referință neinertiale care se deplasează cu o decelerare sau accelerare.
Conform teoriei speciale a relativității, care combină timp și spațiu într-un singur patru dimensiuni continuum spațiu-timp, proprietățile spațio-temporale ale organismelor depinde de viteza de deplasare a acestora. dimensiuni spațiale sunt reduse în direcția de deplasare a corpului atunci când se apropie de viteza la viteza luminii în vid (300,000 km / s), procesele temporale sunt încetinite în sistemul de mișcare rapidă, crește greutatea corporală.
Fiind în cadrul de referință însoțitor, adică, se deplasează în paralel și echidistant față de sistemul de măsurare, este imposibil de observat aceste efecte, care sunt numite relativistă, deoarece toate utilizate în măsurătorile de scări spațiale și ceasurile vor fi schimbate în același fel. Conform principiului relativității, toate procesele din sistemele de referință inerțiale sunt la fel. Dar, în cazul în care sistemul este non-inerțial, efectele relativiste pot fi observate și măsurate. Deci, în cazul în care de călătorie imaginară relativist tip navă racheta fotonic la stele îndepărtate, după întoarcerea sa de la ora Pământului în sistemul vehiculului va lua în mod semnificativ mai mică decât pe Pământ, iar această diferență este mai mare, cu atât mai mult a comis zborul și viteza navei spațiale este mai aproape de viteza luminii. Diferența poate fi măsurată în sute și chiar mii de ani, cu rezultatul că echipajul navei imediat transferat în viitorul apropiat sau mai îndepărtat, ocolind timpul intermediar, ca racheta cu echipajul a căzut din cursul de dezvoltare din lume.
Astfel de procese sunt dilatarea timpului în funcție de viteza de înregistrat acum Mezonii dimensiuni lungimea căii reale care rezultă din coliziunea particulelor ale radiației cosmice primare cu nuclee
atomii de pe Pământ. există mezonii în termen de 10-6 - 10-15 secunde (în funcție de tipul de particule) și după apariția sa se dezintegreze la o distanță mică de locul nașterii. Toate acestea pot fi detectate de către unitatea de detecție la următoarea cale a particulelor. Dar dacă mezon se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii, timpul proceselor încetini creșterea perioadei de degradare (în mii și zeci de mii de ori), și calea crește lungimea, respectiv, de la naștere la degradare.
Astfel, teoria specială a relativității se bazează pe principiul relativității galilean extins. În plus, se folosește o altă poziție nouă: viteza luminii (în vid) este aceeași în toate sistemele de referință inerțiale.
Dar de ce este atât de important încât viteza, aceea a judecății ei este echivalentă în sensul principiului relativității? Faptul că suntem aici confruntăm cu o a doua constantă fizică universală. Viteza luminii - este cea mai mare dintre toate vitezele în natură, limita de viteză de interacțiuni fizice. Pentru o lungă perioadă de timp, în general, considerat infinit. Acesta a fost instalat în secolul al XIX-lea. în valoare de 300 000 km / s. Aceasta este o viteză foarte mare în comparație cu ratele observate în lumea din jurul nostru. De exemplu, viteza liniară de rotație a pământului la ecuator este egal cu 0,5 km / s, viteza Pământului pe orbita sa in jurul soarelui se roteste - 30 km / s, viteza soarelui în mișcarea sa în jurul centrului galactic - aproximativ 250 km / s. Viteza de deplasare a întregii galaxii cu un grup mare de alte galaxii în raport cu alte astfel de grupuri - chiar de două ori mai mult. Împreună cu Pământul, Soarele și galaxiei ne zboară în spațiu, fără măcar să observe, cu viteză mare, măsurată prin câteva sute de kilometri pe secundă. Aceasta este o viteză extraordinară, și totuși este mic în comparație cu viteza luminii.
Imaginați-vă un experiment: o mare orbite prin satelit în jurul pământului, și cu ea, ca și cu cosmodromul lansat rachete - sonda spațială Venus. Rularea făcute strict în direcția cosmodromul orbitale. Din legile mecanicii clasice, rezultă că rachete în raport cu Pământul va avea o viteză egală cu suma celor două viteze: viteza rachetei în raport cu viteza orbitală a cosmodromul din Baikonur, plus față de Pământ. Se adaugă mișcări de viteză, iar racheta devine destul de mare viteză, care permite de a depăși atracția Pământului și zboară spre Venus.
Un alt experiment: satelit emite un fascicul de lumină în direcția mișcării sale. Comparativ cu satelitul, de unde acesta este emis, lumina se propagă cu viteza luminii. Care este viteza luminii în raport cu Pământul? Rămâne la fel. Chiar dacă lumina nu este emisă de mișcarea prin satelit, iar în direcția opusă, iar apoi viteza luminii nu se schimbă față de Pământ.
Aceasta este - o ilustrare a celor mai importante declarații care stau la baza teoriei speciale a relativității. Propunerea de lumină diferă, în principiu, de mișcarea tuturor celorlalte organisme, care este mai mică decât viteza luminii. Vitezele acestor organisme sunt întotdeauna adăugate la alte viteze. În acest sens, viteza relativă: valoarea lor depinde de punctul de vedere. Iar viteza luminii nu se cumulează cu alte viteze, este absolut, este întotdeauna același, și, vorbind despre ea, nu avem nevoie pentru a specifica un cadru de referință.
Absolutul viteza luminii nu contrazice principiul relativității, și este pe deplin compatibilă cu acesta. Constanței vitezei - legea naturii, și, prin urmare, - în conformitate cu principiul relativității - este valabilă în toate sistemele de referință inerțiale.
viteza luminii - limita superioară pentru rata de deplasare a oricăror corpuri naturale, viteza de propagare a oricărui val, orice semnale. Are un maxim - este un record de viteză absolută. Deci, de multe ori spun că viteza luminii - viteza finală de transmitere a informațiilor. Și viteza maximă admisă toate interacțiunile fizice, și, în general, toate interacțiunile posibile din lume.
Viteza luminii este strâns legată de o soluție de simultaneitate, care, de asemenea, se dovedește a fi relativă, adică, în funcție de perspectiva. În mecanicii clasice, care este considerat un timp absolut, absolut este simultaneității.
În teoria relativității generale au fost dezvăluite nou partid pe bază de relații spatio-temporala a proceselor materiale. Această teorie a rezumat motive fizice sub geometria non-euclidiană și curbura spațiului și abaterea de la metrica euclidiană cu câmpurile gravitaționale produse de masele de organisme. Relativitatea generală se bazează pe principiul echivalenței masei gravitaționale și inerțiale, egalitatea cantitativă care au fost mult timp stabilite în fizica clasică. Efectele cinematice care apar sub influența forțelor gravitaționale, sunt echivalente cu efecte care apar sub influența accelerației. Deci, în cazul în care racheta decoleaza cu accelerarea 2g, echipajul racheta se va simți ca și în cazul în care se află în câmpul gravitațional al Pământului este dublat. Ea se bazează pe masa principiului echivalenței a fost generalizat principiul relativității, în conformitate cu o teorie generală a relativității invarianța legilor naturii în toate cadrele de referință, atât inerțiale și non-inerțiale.
După cum vă puteți imagina curbura spațiului, se vorbește despre teoria generală a relativității? Imaginați-vă o foaie foarte subțire de cauciuc și presupun că acesta este - un model al spațiului. Situat pe aceeași foaie de mărgele mari și mici - model de stele. Aceste perle vor indoi foaia de cauciuc este mai mare cu atât mai mare greutatea mingea. Aceasta demonstrează dependența de curbura spațiu pe greutatea corporală și, de asemenea, arată că geometria euclidiană familiare, în acest caz nu este validă (lucrare de geometrie hiperbolică și Riemann).
Teoria relativității a stabilit nu numai curbura spațiului sub influența câmpului gravitațional, dar dilatarea timpului în câmpuri gravitaționale puternice. Chiar și atracția soarelui - doar o stea mică pe standarde de spațiu - afectează rata de curgere a timpului, încetini aproape de el însuși. Prin urmare, dacă vom trimite un semnal radio la un punct dintr-o cale care trece aproape de Soare, călătoria radio va lua în acest caz, mai mult timp decât în cazul în care calea semnalului - la aceeași distanță va fi-nu soarele. întârziere de semnal atunci când trece în apropierea Soarelui este de aproximativ 0.0002 secunde.
Una dintre predicțiile cele mai fantastice ale relativității generale - timpul de oprire completă într-un câmp gravitațional foarte puternic. Încetinirea de timp este mai mare, cu atât mai puternică atracție. lent timp este prezentată în deplasarea spre roșu gravitațională a luminii: este mai puternică atracție, cu atât mai mare lungimea de undă a crescut și a scăzut de frecvență. În anumite condiții de lungime de undă pot să se străduiască la infinit, iar frecvența - la zero.
Cu lumina emisă de soare, s-ar putea întâmpla, în cazul în care lumina noastră sa scufundat brusc și sa transformat într-o minge cu o rază de 3 km sau mai mică (raza Soarelui este de 700 000 km). Din cauza unei astfel de forță de comprimare de greutate pe suprafață, din care vine lumina, aceasta va crește, astfel încât redshiftul gravitațională va fi cu adevărat infinit.
Doar spune că soarele nu se va întâmpla de fapt. La sfârșitul existenței sale, 15-20 miliarde. Cu ani, aceasta va experimenta, probabil, mai multe transformări, zona centrală se poate micșora considerabil, dar încă nu atât de mult.
Dar alte stele, masa, care este de trei sau de mai multe ori masa soarelui, la sfârșitul vieții sale, și într-adevăr susceptibile de a experimenta contracția catastrofală rapidă sub influența propriei gravitații. Acest lucru le va duce la starea găurii negre. Gaura neagra - este corpul fizic, care creează astfel o atracție puternică că deplasarea spre roșu a luminii emise de aproape de ea, poate deveni infinit.
Găurile negre sunt rezultatul contracției incontrolabilă a materiei sub influența propriei gravitații. Că a existat o gaură neagră, corpul trebuie să fie comprimat la o rază de cel mult raportul dintre masa corporala la masa Soarelui, înmulțit cu 3 km. Această rază critică se numește raza gravitațională a corpului.
Fizicienii și astronomii sunt destul de sigur că există găuri negre în natură, dar încă nu le-am găsit. Dificultăți căutări astronomice legate de însăși natura acestor obiecte neobișnuite. După un redshift infinit, din cauza căreia frecvența zero a luminii primite, făcându-le pur și simplu invizibile. Ei nu strălucesc, și așa mai departe, în sensul deplin al cuvântului este negru. Doar pe o serie de semne indirecte poate spera să observe o gaură neagră, de exemplu, în sistemul de stele duble, în cazul în care partenerul ei ar fi o stea normala. Dintre vizibile observațiile de mișcare stele în domeniul general, gravitațional al unei astfel de perechi ar putea fi de a estima masa de stele invizibile, iar în cazul în care această valoare depășește masa Soarelui în trei sau mai multe ori, va fi posibil să spunem că am găsit o gaură neagră.
Acum, există mai multe sisteme binare bine studiat, în care greutatea unui partener invizibil este estimat la 5 sau chiar 8 mase solare. Cel mai probabil, acest lucru este o gaură neagră, dar astronomii pentru a rafina aceste estimări preferă să numesc aceste obiecte sunt candidați pentru o gaură neagră.
dilatarea timpului gravitaționale, o măsură și a cărei probă este redshiftul, foarte mult aproape de steaua neutronică, și în apropierea găurii negre la raza gravitațională, este atât de mare, încât în timp ce există ca și în cazul transfigurat.
Pentru un corp care se încadrează într-un câmp gravitațional gaură neagră formată dintr-o masă egală cu 3 mase solare, care se încadrează la o distanță de 1 Mill. Km la raza gravitațională durează doar aproximativ o oră. Dar de ora, care se află departe de gaura neagră, căderea liberă a unui corp în domeniul său întins în timp la infinit. Mai aproape de un corp în cădere cu raza gravitațională, mai lent va fi prezentat acest zbor către observator la distanță. Corp, a observat de departe, se va apropia pe termen nelimitat raza gravitațională și va ajunge niciodată. Acest lucru reflectă încetinirea timpului în apropierea unei găuri negre.
Noțiunile de spațiu și timp, Einstein a formulat teoria relativității, de departe cea mai consistentă. Dar ei sunt macroscopice, ca pe baza experienței studiului obiectelor macroscopice, distanțe mari și perioade lungi de timp. La construirea teorii care descriu fenomene microscopice, acest model geometric clasic, presupunând continuitatea spațiului și timpului (spațiu-timp) a fost mutat într-o zonă nouă, fără a face modificări. Datele experimentale contrazic aplicarea teoriei relativității în lumea microscopice, încă. Dar însăși dezvoltarea teoriei cuantice poate necesita o revizuire a noțiunilor de spațiu fizic și de timp. Am vorbit deja despre teoria corzilor, care este particulele elementare precum vibrațiile armonice ale acestor siruri de caractere, se conectează fizica cu geometrie. Acest lucru înseamnă că ne aflăm într-o nouă etapă de dezvoltare a științei, un nou nivel de cunoștințe înapoi la predicțiile lui Einstein 1930 „Am ajuns la concluzia ciudat: acum începem să ne gândim că rolul principal jucat de spațiul, materia trebuie să fie obținute din spațiu , ca să spunem așa, în etapa următoare. Noi am considerat întotdeauna materia primară, secundară și spațiu. Spațiu, ca să spunem așa, este de a lua acum răzbunare și „mănâncă“ contează. " S-ar putea să existe un spațiu cuantic, lungime fundamentală L. Prin introducerea acestui concept, putem evita multe dintre dificultățile teoriei cuantice moderne. În cazul în care existența sa este confirmată, ar fi al treilea L (cu excepția constanta lui Planck și viteza luminii în vid) a constantei fundamentale în fizică. Existența spațiului și implică existența unui cuantum felie de timp (egal cu L / c), care limitează acuratețea determinării intervalelor de timp.
UNITATE ȘI DIVERSITATEA PROPRIETĂȚILOR de spațiu și timp
seminarii Plan (2 ore)
1. Dezvoltarea conceptelor de spațiu și timp.
2. Principalele prevederi ale teoriei speciale și generale a relativității.
3. generale și proprietăți specifice de spațiu și timp.
Subiecte de rapoarte și rezumate
1. Găuri de timp și negru.
2. Formele non-fizice de spațiu și timp.
3. posibilă Mașina nu Timpul?