Концепции современного естествознания

Классическая концепция пространства и времени

Пространство и время – основные понятия физики, и в то же время универсалии культуры (выраженные в категориях философии), имеют длительную историю.

Впервые понятие пространства как пустоты появляется у Демокрита. Существуют атомы, и пустота необходима для их соединения и перемещения. Евклид в своем тр

уде «Начала» придал строгую математическую форму пространственным характеристикам объектов. Зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве. Птолемей в своем труде «Альмагест» изложил свою геоцентрическую систему, которая господствовала в естествознании до XVI века. Это первая универсальная математическая модель мира, где время бесконечно, а пространство конечно, где происходит равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли. Коперник в своей книге «Об обращении небесных сфер» изложил гелиоцентрическую систему, которая разрушила прежние представления и направила мысль к пониманию безграничности и бесконечности пространства. Джордано Бруно в труде «О бесконечности, Вселенной и мирах» связал воедино бесконечность Вселенной и пространства. Его выводы получили свое обоснование в небесной физике Кеплера и Галилея. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» Галилей сформулировал два основных принципа механики: принципа инерции и принципа относительности. По существу эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку эти принципы получили в механике Ньютона. Согласно принципу относительности Галилея все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах, т.е. таких, которые покоятся или двигаются равномерно и прямолинейно. Законы движения выражаются одной математической формой: уравнения движения при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, они инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованиям координат.

Р. Декарт обосновал единство физики и геометрии, он пришел к отождествлению материальности и протяженности. Он ввел систему координат. Галилей и Декарт подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в классической механике.

Ньютон в классической механике представляет новую гравитационную модель Вселенной. Она опирается на закон всемирного тяготения. Сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. «Математические начала натуральной философии» (1687) почти на 200 лет определили развитие естествознания. Он сформулировал понятия движения, пространства и времени:

Пространство является бесконечным, плоским, прямоугольным, эвклидовым, т.е. метрические свойства описываются геометрией Евклида. Пространство рассматривается как абсолютное, пустое, однородное, изотропное и является «вместилищем» материальных тел и не зависимой от них инерциальной системой.

Время – абсолютно, однородно, равномерно текущее, синхронно и однообразно во всей вселенной, и как чистая длительность, не зависимо от свойств материальных объектов.

Эта концепция пространства и времени получила название субстанциональной, в ней пространство и время рассматриваются как самостоятельные сущности.

В XVII в. выдающийся немецкий философ Г. Лейбниц предложил реляционную концепцию пространства и времени: пространство – порядок сосуществования объектов, время – последовательность их смены. Однако она не оказала влияния, т.к. была недостаточной для объяснения законов движения.

Поэтому почти двести лет господствовала субстанциональная (классическая) концепция пространства и времени.

Рассмотрим две инерциальные системы:

точка М неподвижна относительно первой системы координат и ее координаты (x, y, z). Вторая система координат движется относительно первой в направлении оси x¢ со скоростью v. Уравнения Галилея для случая равномерного движения вдоль оси подвижной системы относительно неподвижной имели такой вид:

x¢ = x – vt; y¢ = y; z¢ = z; t¢ = t.

Пример: два наблюдателя, один из которых находится на перроне и не подвижен по отношению к другому. С точки зрения второго наблюдателя первый движется к концу поезда.

Уравнения называются преобразованиями Галилея. Следствием из них является правило сложения скоростей: скорость движения одного объекта относительно другого является суммой или разностью их скоростей по отношению к неподвижной системе координат.

Опыты по измерению скорости света относительно Земли, проводимые в 1881 г. Морли и Майкельсоном, привели к парадоксальному результату, – нарушалось правило сложения скоростей:

c + v = c – v = c.

Парадокс был разрешен А. Эйнштейном, который создал специальную теорию относительности (СТО). В 1905 г. он выступил с докладом «К электродинамике движущихся сред». Релятивистская физическая теория наряду с квантовой теорией легли в основу физики и всего естествознания ХХ в.

СТО базируется на двух постулатах:

Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (принцип относительности).

Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света (принцип постоянства скорости света).

Скорость света – предельная скорость распространения материальных воздействий, по отношению к скорости света все движущиеся тела на Земле имеют скорость, равную нулю.

Эйнштейн использовал преобразования Х.А. Лоренца:

.

Выдающийся нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц придумал их в 1904 г. для того, чтобы законы электромагнетизма (уравнения Максвелла) сохранили свой вид при переходе из одной инерциальной системы в другую (ведь явления электромагнетизма не зависят от того, с какой скоростью движется система отсчета). Преобразования Лоренца количественно выражают тот факт, что о времени и о пространстве (координатах) нельзя говорить как о независимых друг от друга понятиях.

Эйнштейн доказал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (это возможно только в абсолютном пространстве), а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными являются, не только движение, но и пространство и время.

В теории относительности в отличие от второго закона Ньютона, где масса считалась постоянной, масса зависит от скорости движения:

.

Движение тел невозможно со скоростями близкими к скорости света, т.к. масса при этом растет и приближается к бесконечности. Как шутят по этому поводу физики, можно стать миллионером, разогнав до космической скорости одну-единственную золотую монету. Только, во-первых, этот миллион уйдет на строительство ускорителя, а во-вторых, полученным богатством при таких скоростях трудно будет воспользоваться. Зависимость массы от скорости – это чисто релятивистский эффект. Как и другие релятивистские эффекты, он проявляется только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Его наблюдают, например, в ускорителях заряженных частиц.

 Скачать реферат