Концепции современного естествознания (стр. 32 из 53)

Независимо от способности к наглядным представлениям физики-теоретики используют понятие о четырехмерном мире как рабочий инструмент для своих расчетов, оперируя мировыми линиями тел, вычисляя их длину, точки пересечения и так далее. Они развивают в этом четырехмерном мире четырехмерную геометрию, подобную геометрии Евклида. В честь Г. Минковского четырехмерный мир называют пространством-временем Минковского.

В то же время объяснительные и предсказательные функции СТО с точки зрения классических представлений выглядят явно парадоксально. Знаменитые парадоксы СТО:

парадокс одновременности: два события, происходящие одновременно в разных местах одной системы отсчета, не являются одновременными в другой системе отсчета.

х₁¹ х₂ , t₁ = t₂ , тогда t₁¹t_2.

парадокс длины: длина l тела, измеренная в неподвижной системе отсчета, и длина l¢ того же тела, измеренная в движущейся системе отсчета, не одинаковы и связаны соотношением: l= l¢Ö 1-v²/c²

парадокс времени: время Dt¢ протекания процесса в движущейся системе отсчета и время Dt протекания этого же процесса в неподвижной системе отсчета не одинаковы и связаны соотношением:Dt¢ =DtÖ 1- v²/c²

А. Эйнштейна не покидало чувство незавершенности своей теории: как быть с наблюдателем, находящимся в системе отсчета, движущейся по отношению к другой с ускорением, т.е. в неинерциальной системе. Другая проблема возникла при попытке представить в рамках СТО тяготение.

Закон тяготения в том виде, как его сформулировал И.Ньютон, несовместим с теорией относительности. В самом деле, согласно утверждению Ньютона сила, с которой одно тело притягивает другое, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому, если притягивающее тело сдвинется, расстояние между телами изменится, и это мгновенно скажется на силе притяжения, влияющей на притягиваемое тело. Таким образом, по Ньютону, тяготение мгновенно передастся сквозь пространство. Но согласно теории относительности этого быть не может. Скорость передачи любой силы не может превышать скорость света, и тяготение не может передаваться мгновенно.

В 1915 году Эйнштейн завершил создание новой теории, объединяющей теории относительности и тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности (ОТО). Теория тяготения Эйнштейна утверждает, что тяготеющие тела искривляют вокруг себя четырехмерное пространство-время. То, что четырехмерное пространство может быть искривленным, теоретически было открыто в начале прошлого века почти одновременно русским математиком Н.Лобачевским и венгерским математиком Я. Больяй. Немецкий математик Б.Риман стал рассматривать «искривленные» пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали, в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.

Итак, согласно основной идее А.Эйнштейна тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время. Пространство воздействует на материю, «указывая» ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство, «указывая» ему, как искривляться. В этом объяснении все необычно – и неподдающееся наглядному представлению искривленное четырехмерное пространство-время, и необычность объяснения силы тяготения геометрическими причинами. Физика здесь впервые напрямую связывается с геометрией. Знакомясь с успехами физики, чем ближе мы подходим к нашей эпохе, тем необычнее становятся ее открытия, а понятия все менее поддаются наглядным представлениям. Природа в ее нынешнем понимании настолько сложна, что требует от исследователя все больших усилий, в том числе и богатого воображения. После создания своей теории Эйнштейн указал на эффект замедления времени: в сильном поле тяготения время течет медленнее, чем вне его. Это означает, например, что любые часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем на поверхности Земли, ибо тяготение Солнца больше, чем тяготение Земли. По аналогичной причине часы на некоторой высоте над поверхностью Земли идут чуть быстрее, чем на самой поверхности.

Итак, ОТО говорит о том, что свойства пространства и времени определяются движением материи, гравитационное поле искривляет пространство и меняет течение времени. В апреле 1921 г. А. Эйнштейн в интервью для американской газеты «Нью-Йорк Таймс» так пояснил суть своей теории относительности:

«… раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время».

ОТО – теория, распространяющая принцип относительности на любые системы отсчета и представляющая из себя более общую теорию тяготения, содержит в себе теорию Ньютона как предельный случай. ОТО имеет экспериментальное подтверждение и является мощным аппаратом в ядерной физике и физике элементарных частиц. В частности, такими примерами могут служить полученные при наблюдении солнечного затмения в 1919 г. и 1921 г. факты искривления светового луча гравитационным полем, которые оказались близкими к расчетам, полученным на основании ОТО. А также открытие в 1929 г. Хабблом так называемого «красного смещения» свидетельствовало о том, что Вселенная не статична, а расширяется.

В космических масштабах геометрия пространства перестала быть евклидовой. Так, если в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180^о, то сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы, больше 180^о, а на седловидной поверхности – меньше 180^о. Поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхность седла – отрицательной. При скоростях, близких к скорости света, при сильном тяготении пространство приходит в сингулярное состояние, сжимается в точку. Мегамир через это сжатие взаимодействует с микромиром и становится во многом аналогичным ему. Классическая механика справедлива как предельный случай лишь при скоростях, намного меньших световой, и при массах, намного меньших, чем в мегамире.

Таким образом, мы еще раз имеем случай убедиться в том, что в развитии науки было выработано интересное требование: всякая новая теория должна включать в себя старую (в уточненном виде) для тех условий, при которых она справедлива. Как говорил А. Эйнштейн, лучший жребий физической теории – послужить основой для более общей теории, оставаясь в ней предельным случаем.

3. Формы пространства и времени

Современная наука использует понятия физического, биологического, психологического и социального пространства и времени. Физическому пространству и времени приписываются следующие характеристики: всеобщность, т.к. эти формы присущи всем без исключения материальным объектам на любом уровне, пространство обладает также свойствами протяженности – наличие определенного местоположения, изотропности – равномерность всех возможных направлений, однородности – отсутствие каких-либо выделенных точек, трехмерности; времени приписываются свойства длительности – продолжительности существования любого материального объекта, одномерности – положение объекта во времени описывается единственной величиной, необратимости – однонаправленность от прошлого к будущему, однородности – отсутствие каких-либо выделенных фрагментов.

Биологическое пространство-время характеризует особенности существования органической материи, для него характерны свойства асимметрии правого и левого; главными характеристиками биологического времени является цикличность (ритмичность), неравномерность – собственное время живых организмов характеризуется разным темпом, имеет индивидуальную меру, может убыстряться или замедляться в зависимости от состояния организма, периода его жизни и т.п. Для человека характерно также психологическое время, которое, как и биологическое, обладает неравномерностью, зависящей от состояния человека и происходящих вокруг него событий, темп и плотность психологического времени напрямую связаны с возрастом человека.

Социальное пространство-время не существует вне практической деятельности человека, это освоенные человеком сферы, наделенные особым культурным смыслом.

Основные понятия темы:

Пространство – философская категория для обозначения протяженности, порядка сосуществования и структурированности материальных объектов.

Время – философская категория для обозначения длительности, последовательности смены состояний, интенсивности, темпа и ритма существования материальных объектов.

Движение – любое изменение и взаимодействие вообще.

Инерциальная система – система, которая покоится или движется равномерно и прямолинейно. Уравнения движения при переходе от одной инерциальной системы к другой инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованиям координат.

Неинерциальная система – система, которая движется с ускорением или замедлением.

Принцип относительности – все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Пространственно-временной континуум – неразрывная связь пространства и времени и их зависимость от системы отсчета.