Взаимосвязь Пространства и времени

Пространственные отношения в природе

Для определения положения какого-либо события в пространстве требуется произвести три измерения и указать три числа, называемые пространственными координатами, т.е. физическое пространство, в отличие от времени, трехмерно.

Пространственные координаты одного и того же события относительны: они зависят от выбора начала отсчета пространственных координат и поэтому сами по себе не могут служить объективными характеристиками пространственных отношений. Расстояние между двумя точками на оси, которые показывают положение 2 различных материальных объектов настолько мало, что не зависит от выбора точки отсчета, поэтому его можно выбирать в качестве объективной характеристики пространственных отношений. Это свойство пространства – его однородность.

Полная шкала расстояний, освоенная физикой, охватывает более сорока порядков.

Важнейшее свойство пространства – его изотропность, которое означает физическое равноправие всех направлений в пространстве. То есть, всякая изолированная система обладает фундаментальной характеристикой, называемой полным моментом, которая сохраняется со временем.

Для объективного описания физических величин можно использовать только векторы и скаляры, ибо в этом случае, как сами величины, так и форма соотношений между ними, остаются одинаковыми во всех системах координат, отличающихся выбором начала отсчета и направлений осей. Примером скалярных величин служат такие характеристики, как масса, энергия, температура. Примерами векторных величин являются скорость, импульс, момент вращения, сила. Их принято изображать направленными отрезками (стрелками) в определенном масштабе.

Процесс измерения расстояния сопряжен с процессом измерения времени, причем в разных точках пространства. И наоборот.

Взаимосвязанное описание пространственно-временных отношений можно ввести, рассматривая движение материального объекта более строго. Тело отсчета, относительно которого измеряются все расстояния вдоль выбранной оси, вместе с совокупностью «местных» часов, расположенных в каждой точке этой оси, называется системой отсчета (СО). Пока мы условно будем считать ее неподвижной.

В заданной СО каждому событию, характеризующему, где и когда находится материальный объект, соответствуют два числа х и t, называемые пространственно-временными координатами события. То есть в самом простейшем случае природные явления можно описать в двумерном мире событий.

Если два события происходят в одной точке пространства (т.е. одноместно), то промежуток времени между ними может измеряться по одним и тем же часам, расположенным там же. Если же мы измеряем расстояние между двумя удаленными событиями, то это следует делать жесткой линейкой в один и тот же момент времени (одновременно).

Представление о едином пространстве-времени, или мире событий, обязательно требует синхронизации «местных» часов. Если это достигнуто, то отсчет времени может производиться по единым часам, установленным в начале отсчета системы координат, что и означает введение единого времени.

Учитывая трехмерность реального пространства, мир событий в общем случае представляет собой единое четырехмерное пространство-время, называемое миром событий. Движение частицы в мире событий считается заданным, если нам удалось узнать зависимость ее положения в пространстве от времени, т.е. закон движения r = r (t).

Галилей первым понял, что описание движений любых тел выглядит одинаково как в неподвижной системе отсчета, так и в любой системе отсчета, которая движется равномерно и прямолинейно с постоянной скоростью относительно условно неподвижной СО. Такие СО называются инерциальными (ИСО). Соответственно, СО, движущиеся ускоренно, называются неинерциальными (НСО).

Результаты исследований Галилея и затем Ньютона привели к открытию первого фундаментального закона природы – принципа инерции. Он гласит: существуют такие СО, в которых любая свободная частица движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, ИСО от неинерциальной СО можно отличить по тому, как ведет себя в ней свободная частица. Состояния равномерного прямолинейного движения и покоя является относительными.

Если ограничиться только скоростями, малыми по сравнению со скоростью света, то пространственные и временные отношения во всех инерциальных системах отсчета описываются одинаково. В ИСО расстояния и промежутки времени остаются неизменными относительно выбора таких систем отсчета. Что касается скорости частицы относительно разных ИСО, то она, естественно, имеет в них различные значения. В справедливости этого утверждения при малых скоростях мы можем убедиться, сравнивая скорость перемещения пассажира внутри вагона с его скоростью относительно поверхности Земли.