Концепция пространственно-временной относительности

Те системы взглядов, которые формировались на мироустройство в рамках космологической модели, включали в себя понятия пространства и времени. Но при рассмотрении сущности этих категорий им придавались различные значения. Одни из мыслителей вообще отрицали наличие пустого пространства, другие говорили, что пустота существует, но она непосредственно нужна для перемещения тел в пространстве. Со временем понятие этих терминов постепенно трансформировалось. В частности, строгую форму пространственные характеристики обрели в работах Эвклида. В это же время началось формирование представлений об однородном и бесконечном пространстве. Следует отметить, что постановка однородности пространства была связана со структурой материального мира, все сводилось к выявлению свойств пустоты и как там тела взаимодействуют. В рамках некоторой модели пространство считалось конечным и было ограничено теми траекториями, по которым движутся удаленные небесные тела. В тоже время категория времени признавалась бесконечной. Создание гелиоцентрической системы мира впервые привело к мысли о том, что пространство является бесконечным. Пространство может быть конечным относительно чего-то, а поскольку нет точки отсчета, то можно предположить, что оно бесконечно. Концепция Джордано Бруно говорит о бесконечности пространства и времени.

Существенный вклад в формирование такой точки зрения внес Галилей - принцип относительности, согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы назвали инерционными, из этого следовал другой важный вывод о так называемой инвариантности (неизменности) в таких системах длины, времени и ускорения. Эти системы были равноценными, этот принцип логически следовал из космологической модели Бруно. Следующий этап связан с именем Декарта, считается, что его особой заслугой является создание координатной системы, в которой время представляло собой одну из координатных осей. И таким образом все процессы можно было рассматривать не только с точки зрения пространственных, но и временных координат.

Существенным вкладом Ньютона в развитие научной и механистической картины мира является введение понятий абсолютного и относительного. Абсолютное время - это истинное, математическое время, которое само по себе и по своей сущности и без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и его можно охарактеризовать как длительность. Относительное время - это так называемое кажущееся или обыденное время, которое использовалось в обыденной жизни, напр., час, день, месяц. Абсолютное пространство по своей сущности безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство это есть мера или какая-то ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по отношению к расположению других тел. По существу введение этих понятий отвечало двум уровням познания. Абсолютным понятиям принадлежала роль на теоретическом уровне, а относительные - соответствовали эмпирическому уровню познания. Введение этих понятий было серьезнейшим событием, т.к. дало фундамент для современной мысли. Но и до этого был ряд открытий и пересмотр законов.

Основным положением концепции пространства и времени (классическая концепция) является то, что пространство считалось бесконечным, плоским, прямолинейным, эвклидовым. Его метрические свойства определялись полностью геометрией Эвклида. Пространство выступало в качестве вместилища материальных тел, как некая независимая от них инерциальная система. В этом положении отсутствует связь между пространством, временем и материальными телами. Время принималось абсолютным, однородным, равномерно текущим, которое текло единообразно и синхронно во всей Вселенной. Кроме того, время выступало как независимый от материальных объектов процесс длительности. По сути дела, времени отводилась роль фиксации длительности какого-либо события. Вопрос взаимодействия между материальными телами сводился к силе тяготения. Одним из существенных открытий, которые образовали брешь в классической теории, было открытие электромагнитных явлений. Надо сказать, что до этого классическая физика рассматривала процессы взаимодействия с точки зрения сил, которые действовали строго по прямым между реальными телами, а создание электродинамики показало, что силы не только зависят от расстояния между телами, но и направлены не по прямым. Кроме того, эти силы зависели не только от расстояния, но и скоростей движения материальных тел. Таким образом, открытие и изучение свойств электромагнитных взаимодействий показало, что существующие знания по механике недостаточны для описания процессов, происходящих в пространстве и времени. Развитие электромагнитных знаний позволило ввести понятие поля. А. Эйнштейн высказал мысль, что теория относительности возникла из понятия поля, а точнее из проблемы поля, именно изучение проблемы поля и привело к дальнейшему пересмотру классических представлений пространства и времени. Надо сказать, что существенным этапом в формировании современных представлений были преобразования Лоренца, это математические уравнения согласно которым, в зависимости от скорости движения материальных тел могут изменяться расстояния или размер этих тел. Это привело к тому, что относительными оказались и тела и промежуток времени. Из категории абсолютных они были переведены в понятие относительных.

Другими существенными научными результатами явились разработки в области геометрии, т.е. создание неэвклидовых геометрий и позволило предположить, что реальное пространство все-таки не является эвклидовым, а имеет определенную кривизну, отсюда следует, что и метрические параметры могут быть иными. Таким образом, все предыдущие наработки привели к созданию специальной теории относительности, которая описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения специальная теория относительности сводится к классической механике, которая таким образом является частным случаем теории относительности. Специальная теория относительности не есть что-то принципиально новое, а то, что выросло из представлений классической механики. Если скорость движения приближается к скорости света, то используется специальная теория. Из нее следует, что длина тела или вообще расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих событий являются не абсолютными, а относительными величинами. Из этого следует, что при скоростях движения близких к скорости света все процессы в данной системе замедляются, а расстояния вдоль направления движения сокращаются. Из этого также следует, что события для одного наблюдателя могут развиваться одновременно, но для другого могут и разновременно. Специальная теория относительности впервые показала, что пространство и время это общие формы координации материальных явлений, а не зависящие от материи. Другими словами, специальная теория относительности показала, что при определенных условиях мы имеем дело не только с субстанцией пространства-времени, но сюда должны входить и материальные тела. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила закон всемирного тяготения, который был предложен Ньютону на полевой закон тяготения. Тем самым в общей теории относительности реализовался переход от вещественной к полевой форме материи. Таким образом, основные положения современной концепции можно представить так:

· пространство-время объективны и реальны, они являются всеобщими формами бытия материи;

· единство пространства-времени выражается в совместном их изменении в зависимости от концентрации масс и скорости их перемещения;

· пространство обратимо, а время пока, к сожалению, не обратимо и одномерно.

Пространство и время обладают свойствами всеобщими и локальными. К всеобщим относятся такие характеристики, которые проявляются на всех уровнях материи (из известных нам), а специфические свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях и присущи определенным классам материальных тел.

Всеобщие свойства:

· объективность и независимость от человеческого сознания;

· неразрывность друг с другом и с движущейся материей;

· единство прерывности и непрерывности в их структуре;

· количественная и качественная бесконечность, которые неотделимы от структурной бесконечности материи;

Специфические свойства - самостоятельно.

Свойства пространства и времени зависят от концентрации масс и скорости движения. Любая масса создает искажение пространства, в прямо пропорциональной зависимости от массы тела.

Черная дыра - это в принципе скрытая масса, это сгусток гравитации образовавшийся вследствие гибели звезды.

Другой интересный момент, если вспомнить современные теории, что любые частички можно представить согласно теории струн в виде неких нитей, то согласно дальнейшей разработке теории, пространство можно представить в виде пересекающихся суперструн. Которые могут формировать новую метрику пространства. Взаимодействие струн может приводить к областям пустот, т.е. пространство содержит множество дырок.

\Верочка, последующие темы, это материал, который мы сейчас пытаемся постичь. Если возникнут вопросы – задавай. С уважением, Т.М.

Лекция. Цель – выявление вопросов и тем, которые представляют наибольший интерес; выявление проблемных «зон»..

Форма занятия: Беседа.

План.

1. Место естествознания в третьем тысячелетии.

2. Повторение материала 1темы.

Вопросы для проверки знания \беседы \

Что является основой всеобщего характера законов природы? На современном этапе развития научного знания сформировано представление о глобальном единстве материального мира. Все, что окружает человека есть материя в самых разных формах ее проявления. Космологический принцип – Физические процессы, происходящие в отдаленных друг от друга областях Космоса, идентичны. Взаимодействия и законы, их описывающие оказываются универсальными. Ближний Космос, включающий нашу Галактику, является типичным образцом Вселенной в целом. Различные элементы материального мира образуют единую систему, и процессы, протекающие в ней, описываются едиными фундаментальными законами. На каждом этапе развития основные закономерности поведения подсистем имеют связь со всей системой - Вселенной, с ее общей эволюцией. Мир един, Вселенная – единое целое. Человек – одна из структур Вселенной. Человек является структурой способной познавать Вселенную, т.е. является инструментом самопознания \ допустимо, что не уникальным, а одним из возможных \. Все, что доступно нашему наблюдению, в том числе и развитие общества, и сам человек являются всего лишь составными частями Вселенной. Следовательно законы материального мира обладают единством на фундаментальном уровне. Изучая какое-либо одно явление, мы получаем косвенные знания о целом ряде других.

Методология и методы естественнонаучного знания. Что такое метод? \Метод – это совокупность способов, с помощью которых достигается цель \. Назовите два основных уровня научного исследования \эмпирический и теоретический \. Назовите и охарактеризуйте основные методы:

ЭМПИРИЧЕСКИЙ - наблюдение, эксперимент, описание \фиксирование данных \, измерение \определение основных характеристик с помощью соответствующих измерительных приборов \.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ – формализация – отображение результатов мышления в точных понятиях и утверждениях; аксиоматизация – построение теорий на основе аксиом \ утверждений, не требующих доказательств своей истинности \; гипотетико-дедуктивный метод – выдвижение утверждений в качестве гипотез и проверка их с помощью фактов. ВСЕОБЩИЕ методы – анализ и синтез \процессы мысленного или фактического разложения целого на составные части и воссоединение целого из частей \;

индукция и дедукция – движение от частного к общему, от единичных фактов к общим положениям и напротив;

абстрагирование – отвлечение от неких несущественных в данном контексте свойств; обобщение – логический процесс перехода от единичного к общему, к более общему знанию; аналогия – прием познания, с помощью которого обнаруживают сходство нетождественных объектов в некоторых значимых сторонах;

моделирование – воспроизведение характеристик некоторого объекта на другом объекте, специально созданном для их изучения;

классификация – разделение всех изучаемых предметов на какие-то группы в соответствии со значимыми для данного исследования признаками.

Каким образом принято разделять науки в естествознание, назовите два главных раздела естествознания \науки о неживой природе, науки о живой природе; иногда выделяют науки о Земле \. Перечислите и охарактеризуйте науки о неживой природе?

Физика – это наука о наиболее простых и наиболее общих свойствах тел и явлений, о различных типах взаимодействия: гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом. В истории развития науки выделяют 4 типа физических исследовательских программ:

Механистическая – в основе механика Ньютона. За исходные категории мира Ньютон принял: абсолютное пространство, абсолютное время, инертность тел и их механические взаимодействия. Законы механики претендовали на отражение космической гармонии и диктовали законы жизни до середины ХХ века.

Релятивистская - основана на базе специальной теории относительности, созданной А. Эйнштейном \СТО \. На смену трехмерному пространству Евклида приходит четырехмерное пространство-время. Распространение принципа относительности на любые типы движения приводит Эйнштейна к созданию общей теории относительности \ОТО \ - фундаментальная теория гравитации.

Квантово-полевая – в основе программы лежит идея Макса Планка о дискретном характере излучения, о корпускулярно-волновой природе света. Квантовая механика – фундаментальная теория, которая позволяет описывать поведение объектов в микромире. Синтез релятивистской и квантовой теории привел к созданию электродинамики – фундаментальной теории, описывающей электромагнитные взаимодействия. Результатом явилось формирование неклассического стиля мышления ученых.

Единая теория поля \современная физическая исследовательская программа \ - программа, объединяющая 4 типа физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное в единое суперсимметричное поле. В рамках данной программы предполагается рассмотрение эволюции Вселенной из этого суперсимметричного состояния, в котором вся материя представлена только физическим вакуумом. Спонтанное нарушение симметрии вакуума в процессе расширения Вселенной и приводит к многообразию физического мира. Программа имеет целостно-синергетическую направленность и способствует формированию постнеклассического типа научной рациональности.

Астрономия –

Химия –

Науки о живой природе: биология, генетика, экология.

Дополнительно выделяют науки о Земле, Возникновение и Эволюция жизни,

Природные начала и бытия человека. Физиология.

Дайте краткую характеристику понятиям МИКРОМИР, МАКРОМИР, МЕГАМИР?

\Основные уровни строения материи, тесно связанные друг с другом \.

Микромир- это мир непосредственно ненаблюдаемых объектов, имеющих пространственные размеры от10 \-10\ до10\-18\. Время жизни этих объектов может достигать 10\-24\.

Макромир – мир объектов, размеры которых сопоставимы с масштабами человеческого опыта.

Мегамир – мир космических расстояний и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами. Время существования этих объектов достигает миллионов и миллиардов световых лет.

Мезоуровни – промежуточные уровни, соответствующие размерам, при которых происходит формирование структур, обеспечивающих переход от одного из вышеназванных миров к другому.

Вывод.

Современное естествознание ориентировано прежде всего на анализ проблем физики, химии и биологии. Особое внимание уделяется проблемам создания философских оснований физики, с распространением физических идей на другие науки. Такой подход сочетается с принципами диалектики:

принцип неисчерпаемости материальных свойств и структур материи;

принцип конкретности истины;

принцип диалектической взаимосвязи абсолютной, относительной и объективной истинности суждения.

Домашнее задание. Повторить основные концепции классической физики: механика, термодинамика, электродинамика.