Чем вызвана необходимость целостного описания пространства времени

Целостное описание пространства-времени

А. Эйнштейн сформулировал два фундаментальных принципа физики, составляющих основу объективного описания природы. Согласно первому из них – принципу относительности – все фундаментальные законы природы имеют одинаковый вид в любой ИСО, неподвижной или движущейся. Согласно второму принципу – принципу постоянства скорости света – скорость света одинакова во всех ИСО и является предельной возможной скоростью распространения материальных объектов.

Неизменным (инвариантным) относительно выбора любых ИСО оказывается только особая величина – пространственно-временной интервал между событиями , связывающий воедино момент времени и геометрические координаты событий: .

В едином пространстве-времени длина движущегося тела в направлении движения должна уменьшаться, а период движущихся часов – увеличиваться, что принято называть эффектами «сокращения длины» и «замедления времени».

Максимально объективное описание природы, независящее от выбора конкретной ИСО, требует признать концепцию единого пространства-времени.

Концепция единого пространства-времени Эйнштейна противостоит представлениям Ньютона о бесконечной протяженности в виде абсолютного пространства, вмещающем материю, и равномерной длительности в виде абсолютного времени, в котором все возникает и исчезает.

Контрольные вопросы:

1. Какое первое свойство пространства и времени?

Источник

Концепция относительности пространства и времени.

Недостатком механистической картины мира было обособленное изучение пространства и времени как форм существования материи.

Еще в рамках классической механики Галилеем впервые был сформулирован принцип относительности, потребовавший введения системы отсчета или координат. Он утверждал, что во всехинерционных системах ( относительно друг друга они находятся в покое или равномерном и прямолинейном движении ) все механические процессы происходят одинаковым образом.

В специальной теории относительности А. Эйнштейн пересмотрел прежние представления о пространстве и времени. Он утверждал, что каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета и все физические процессы должны рассматриваться по отношению к указанной системе отсчета или координат, поэтому не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, а также не существует абсолютного времени.

Связь обособленных в классической механике понятий была объединена в единое понятие пространственно-временной непрерывности, или континуума.

Теория относительности стала одной из первых научных теорий, радикально изменивших восприятие основных свойств материи. Было установлено:

— что всякое движение может описываться только относительно других тел, принимаемых за системы отсчета;

— что при распространении принципа относительности на электромагнитные процессы выясняется постоянство скорости света, никак не учитываемое в механике;

— что все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы.

Наиболее значительным результатом стало установление зависимости пространственно временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс.

Принцип относительности в физике был использован некоторыми философами для защиты философского релятивизма.

Для системного подхода характерно целостной рассмотрение и установление взаимодействия составных частей или элементов целостности, несводимость свойств целого к свойствам частей. Строение системы характеризуется наличием в ней:

— подсистем, обладающих автономностью и иерархически организованных;

— элементов как наименьших частей системы.

В принципе любая часть системы может рассматриваться в качестве элемента.

Структура системы включает в себя взаимодействия, создающие новые целостные свойства, присущие только данной системе. В западной литературе таки свойства называют эмерджентными.

Фундаментальная роль системного метода заключается в том, что с его помощью достигается наиболее полное выражение единства научного знания. Оно выражается возникновением пограничных дисциплин и междисциплинарных направлений ( кибернетика, синергетика, экологические программы и другие ).

Источник

Спросите Итана: пространство-время – реальная сущность или просто концепция?

Схема сильного искривления пространства-времени вблизи горизонта событий чёрной дыры. Чем ближе вы приближаетесь к массивному телу, тем сильнее искривляется пространство. В итоге вы оказываетесь в таком месте, откуда не может убежать даже свет: внутри горизонта событий.

Большинство людей, думая о Вселенной, представляют себе материальные объекты, находящиеся на огромных космических расстояниях друг от друга. Под действием собственной гравитации материя схлопывается, формируя такие космические структуры, как галактики. Газовые облака, сжимаясь, порождают звёзды и планеты. Звёзды испускают свет, сжигая топливо в реакциях ядерного синтеза. Этот свет проходит по всей Вселенной, подсвечивая всё, на что натолкнётся. Однако Вселенная – это не только объекты внутри неё. Есть ещё и ткань пространства-времени, играющая по своим правилам – по правилам общей теории относительности (ОТО). Ткань пространства-времени искривляется в присутствии материи и энергии, при этом само искривление ткани пространства-времени диктует материи и энергии, как им двигаться. Но что такое, конкретно, пространство-время – это нечто «реальное», или просто облегчающий подсчёты инструмент? Об этом нас спрашивает читатель:

Что именно представляет собой пространство-время? Это реальная штука типа атомов, или математический конструкт, используемый для описания того, как масса «порождает» гравитацию?

Отличный вопрос, а его тема достаточно сложна для размышлений. Более того, до появления Эйнштейна наше представление о Вселенной сильно отличалось от текущего. Давайте вернёмся в далёкое прошлое Вселенной, когда у нас ещё не было концепции пространства-времени, и будем двигаться вперёд, до сегодняшнего дня.

На всех масштабах, от макроскопических до субатомных, размеры фундаментальных частиц играют мало роли в определении конечных размеров составных структур. Являются ли эти строительные кирпичики материи воистину фундаментальными точечными частицами, неизвестно до сих пор. Однако мы разбираемся в строении Вселенной от гигантских, космических масштабов, до крохотных, субатомных. К примеру, в человеческом теле содержится около 10 28 атомов.

На фундаментальном уровне мы уже давно подозревали, что если взять какой угодно объект во Вселенной, и начать делить его на всё меньшие и меньшие составные части, в итоге можно достичь чего-то неделимого. Слово «атом» буквально и означает «неделимый», от греческого ἄτομος. Первое упоминание об этой идее встречается 2400 лет назад, у Демокрита. Однако вполне вероятно, что идею могли придумать и раньше. Такие неделимые сущности реально существуют – они известны, как квантовые частицы. Несмотря на то, что мы назвали атомами элементы таблицы Менделеева, истинно неделимыми являются субатомные частицы – кварки, глюоны и электроны (а также те частицы, что вовсе не встречаются в атомах).

Все эти кванты связываются вместе и составляют все известные нам сегодня составные структуры Вселенной – от протонов и атомов до молекул и людей. И все эти кванты, вне зависимости от их типа – материя это или антиматерия, есть у них масса или нет, фундаментальные они или составные, субатомные у них масштабы или космические – существуют в рамках той же самой Вселенной, что и мы.

Если знать все правила, отвечающие за движение объекта в пространстве-времени, а также начальные условия и все силы, действующие между объектом и остальной частью системы, можно предсказать, как он будет двигаться сквозь пространство и время. Но местоположение объекта нельзя указать точно, не добавив к пространственным координатам временную.

А это важно, поскольку если вы хотите, чтобы все вещи во Вселенной делали что-то друг с другом – взаимодействовали, связывались, формировали структуры, передавали энергию – нужно, чтобы существовал способ это делать. Представьте себе пьесу, в которой все персонажи прописаны, актёры готовы их играть, костюмы подготовлены, все строки прописаны и выучены. Недостаёт лишь одной, но очень важной вещи – сцены.

Что играет роль сцены в физике?

До появления Эйнштейна сцену обустраивал Ньютон. Всех «актёров» Вселенной можно было описать набором координат – местоположением в трёхмерном пространстве и моментом во времени. Всё было похоже на решётку декартовых координат – трёхмерную структуру с осями x, y и z, где у каждого объекта может быть импульс, описывающий его движение в пространстве как функция от времени. Само время считалось линейным, идущим с неизменной скоростью. В представлении Ньютона пространство и время были абсолютными.

Мы часто представляем себе пространство в виде трёхмерной решётки, хотя это чрезмерное упрощение, зависящее от системы отсчёта. На самом деле пространство-время искривляется в присутствии материи и энергии, а расстояния в нём не фиксированы, а изменяются с расширением или сжатием Вселенной

Однако открытие в конце XIX века радиоактивности бросило на картину мира Ньютона тень сомнений. Узнав, что атомы могут испускать субатомные частицы, движущиеся со скоростью света, мы поняли нечто удивительное: когда частица движется со скоростью, близкой к скорости света, она воспринимает пространство и время совершенно не так, как объект, движущийся медленно или покоящийся.

Нестабильные частицы, очень быстро распадающиеся в состоянии покоя, жили тем дольше, чем ближе их скорость была к скорости света. Эти частицы проходили расстояния большие, чем должны были, исходя из их скорости и времени жизни. А при попытке подсчитать энергию или импульс движущейся частицы разные наблюдатели (движущиеся с разными скоростями относительно неё) получали несовпадающие значения.

Получается, что с концепцией пространства-времени от Ньютона что-то было не так. На скоростях, близких к скорости света время удлиняется, расстояния сжимаются, а энергия и импульс зависят от системы отсчёта. То есть, ваше восприятие Вселенной зависит от того, как вы двигаетесь.

Световые часы, в которых протон отражается от двух зеркал, могут отсчитывать время для любого наблюдателя. И хотя двое наблюдателей могут не сойтись во мнении о том, сколько времени прошло между двумя моментами, они могут договориться о законах физики и константах Вселенной, в частности, о скорости света. У неподвижного наблюдателя время идёт как обычно, а у быстро движущегося часы будут идти медленнее, чем у неподвижного.

Эйнштейн отвечает за выдающийся прорыв в концепции реальности, описывавшей, какие величины не меняются при движении наблюдателя, а какие зависят от системы отсчёта. К примеру, скорость света одинакова для всех наблюдателей, как и масса покоя любого количества материи. А вот расстояние между двумя точками сильно зависит от вашего движения вдоль линии, их соединяющей. Скорость, с которой идут ваши часы, также зависит от вашего движения.

Пространство и время оказались не абсолютными, как думал Ньютон, и воспринимались разными наблюдателями по-разному. Они оказались относительными, поэтому теория и называется «теорией относительности». Более того, между восприятием неким наблюдателем пространства и времени есть определённая связь. Через пару лет после публикации Эйнштейном специальной теории относительности (СТО) её вывел его бывший профессор Герман Минковский. Он вывел единую математическую структуру, включающую пространство и время: пространство-время. Как писал он сам,

Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность.

Сегодня это пространство-время широко используется до сих пор, если можно пренебречь гравитацией: пространство Минковского.

Световой конус, трёхмерная поверхность, составленная из всех возможных световых лучей, приходящих и исходящих из одной точки пространства-времени. Чем больше вы проходите в пространстве, тем меньше вы проходите во времени, и наоборот. Сегодня на вас может воздействовать только то, что было в световом конусе прошлого. В будущем вы сможете воспринять только те вещи, которые содержатся в вашем световом конусе будущего. Это иллюстрация плоского пространства Минковского, не искривлённого пространства ОТО.

Но в реальной Вселенной есть гравитация. Эта сила не действует мгновенно через огромные пространства космоса. Она распространяется с той же скоростью, что и все безмассовые кванты: со скоростью света. Все правила, сформулированные в СТО, остаются применимыми, но чтобы включить в картину гравитацию, требовалось нечто большее: представление о наличии у пространства-времени собственной кривизны, зависящей от присутствия в нём материи и энергии.

В каком-то смысле это просто: если вы разместили на сцене актёров, сцена должна выдерживать их вес. Если актёры массивные, а сцена не идеально жёсткая, она будет деформироваться в их присутствии.

То же явление работает и с пространством-временем: наличие материи и энергии искривляет его, а это искривление влияет на расстояния (пространство) и скорость хода часов (время). Более того, влияние это получается довольно сложным. Если вычислять влияние материи и энергии на пространство-время, то пространственные и временные эффекты оказываются связанными. Линии трёхмерной решётки, которую мы представляли в СТО, в ОТО искривляются.

Появление массы в пустой трёхмерной решётке заставляет её линии искривляться определённым образом. Они как бы вытягиваются в сторону массы.

Пространство-время можно представлять себе как чисто вычислительный инструмент, и остановиться на этом. В математике даже пространство-время можно описать метрическим тензором. Этот формализм позволяет вычислить, как любое поле, прямая, дуга, расстояние и т.п. могут существовать в нём определённым, точно описанным образом. Пространство может быть плоским или сколь угодно искривленным, конечным или бесконечным, открытым или закрытым, и состоять из любого количества измерений. В ОТО метрический тензор четырёхмерный (с тремя пространственными и одним временным измерением), а кривизну пространства-времени определяют материя, энергия и его внутренние напряжённости.

Проще говоря, кривизну пространства-времени определяет содержимое Вселенной. А затем можно взять кривизну пространства-времени и предсказать, как любая часть материи и энергии будет двигаться и меняться со временем. Правила ОТО позволяют нам предсказывать, как материя, свет, антиматерия, нейтрино и даже гравитационные волны будут двигаться сквозь Вселенную. Все эти предсказания прекрасно совпадают с нашими наблюдениями и измерениями.

Что мы не измеряем, так это само пространство-время. Мы можем измерять расстояния и временные интервалы – но всё это непрямое зондирование лежащего в их основе пространства-времени. Мы можем измерить всё, что с нами взаимодействует – тела, инструменты, детекторы – однако взаимодействие происходит только при наличии двух объектов в одной точке пространства-времени, когда при их встрече регистрируется «событие».

А также множество других воздействий. Однако из того, что мы можем измерять лишь воздействие пространства-времени на материю и энергию Вселенной, но не само пространство-время, следует, что пространство-время ведёт себя неотличимым от простого инструмента вычисления образом.

Квантовая гравитация пытается объединить ОТО Эйнштейна с квантовой механикой. Квантовые поправки к классической гравитации обозначаются в виде петлевых диаграмм, как та, что показана на рисунке белым цветом. Если расширить Стандартную Модель, включив в неё гравитацию, симметрия, описывающая CPT (симметрия Лоренца) может стать только приблизительной, могут появиться её нарушения. Однако пока что в экспериментах таких нарушений не наблюдалось.

Но это не значит, что пространство-время не является реальной физической сущностью. Наблюдая актёров, играющих пьесу, вы вправе назвать то место, где идёт пьеса, «сценой», будь то поле, платформа, голая земля и т.п. Даже если бы пьеса разыгрывалась в невесомости космоса, вы бы просто могли отметить, что в качестве сцены используется свободно падающая система отсчёта.

В физической Вселенной, насколько нам известно, невозможно существование объектов и взаимодействие между ними без пространства-времени. Где есть пространство-время, там работают законы физики, и существуют фундаментальные квантовые поля, лежащие в основе всего. В каком-то смысле, «ничто» – это вакуум пустого пространства-времени, а разговор о том, что происходит в отсутствии пространства-времени, не имеет смысла – по крайней мере, с точки зрения физики. Нет смысла говорить о «где», лежащем за границами пространства, и «когда», выходящем за границы времени. Возможно, что-то такое и существует, но физических концепций этой сущности у нас нет.

Анимация взаимодействия пространства-времени с массой, движущейся сквозь него. Из неё видно, что пространство-время – это не просто некая ткань. Всё трехмерное пространство искривляется в присутствии массы и энергии. Несколько вращающихся друг вокруг друга масс порождают гравитационные волны.

Самое интересное, что у нас есть ещё много вопросов о природе пространства-времени, оставшихся без ответа. Являются ли пространство и время квантовыми и дискретными, разделёнными на невидимые участки, или же они непрерывны? Является ли гравитация квантовым взаимодействием, как все остальные известные силы, или это классическая, непрерывная ткань, тянущаяся вплоть до планковских масштабов? Если пространство-время отличается от того, что говорит нам ОТО, то как именно, и каким образом мы можем это обнаружить?

Но, несмотря на всё то, что пространство-время позволяет нам предсказать и узнать, оно не является такой же реальной сущностью, как атом. Нельзя каким-то образом напрямую «обнаружить» пространство-время – обнаружить можно только отдельные кванты материи и энергии, существующие в вашем пространстве-времени. Мы описали пространство-время в виде ОТО Эйнштейна, и она успешно предсказывает и объясняет все физические явления, когда-либо обнаруженные и измеренные нами. Однако вопрос о том, что оно собой представляет, и реально оно или нет, для современной науки пока остаётся открытым.

Источник

Целостное описание пространства-времени

Согласно правилу сложения скоростей Галилея, скорость частицы всегда можно сделать малой, перейдя в движущуюся инерциальную систему отсчета. Но следует помнить, что окружающая нас природа воспринимается человеком непосредственно в двух качественно различных формах – в виде вещества и света. Согласно Аристотелю, свет распространяется мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью, так что до 17 века вопрос о справедливости закона преобразования скоростей для света и не возникал. В конце 17 века было установлено, что свет распространяется с конечной, но очень большой скоростью – около 300 тысяч километров в секунду. В конце XIX века удалось поставить очень точные эксперименты по измерению скорости света в различных движущихся системах отсчета. Они показали, что вопреки закону сложения скоростей Галилея скорость света в различных ИСО (неподвижных и движущихся) одна и та же.

Осознание этого факта привело А. Эйнштейна к формулировке двух фундаментальных принципов физики, составляющих основу объективного описания природы. Согласно первому из них – принципу относительности – все фундаментальные законы природы имеют одинаковый вид в любой ИСО, неподвижной или движущейся. Иначе говоря, никакими опытами нельзя отличить систему отсчета, движущуюся равномерно и прямолинейно, от покоящейся системы отсчета. Согласно второму принципу – принципу постоянства скорости света – скорость света одинакова во всех ИСО и является предельной возможной скоростью распространения материальных объектов.

Поскольку скорость – это фактически геометрическая характеристика угла наклона касательной к траектории движения, то оказывается, что в соответствующем четырехмерном пространстве-времени уже несправедлива знаменитая теорема Пифагора (в этом пространстве промежуток времени и расстояние оказываются относительными к выбору ИСО, движущимся с большими скоростями). Неизменным (инвариантным) относительно выбора любых ИСО оказывается только особая величина – пространственно-временной интервал между событиями , связывающий воедино момент времени и геометрические координаты событий. В простейшем случае для двух событий, разделенных промежутками времени Dt и расстоянием Dх он представляет собой следующую комбинацию: .)

В едином пространстве-времени длина движущегося тела в направлении движения должна уменьшаться, а период движущихся часов – увеличиваться, что принято называть эффектами «сокращения длины» и «замедления времени». Они наблюдаются на опыте, причем замедление времени было обнаружено непосредственно в распадах элементарных частиц и в экспериментах на самолетах и ракетах, а сокращение длины, главным образом, косвенно. Учет соответствующей поправки, которой можно пренебречь в пределе малых скоростей, позволяет пользоваться также и движущимися часами. Как оказалось позже, эти эффекты не являются экзотикой. Именно с сокращением длины связано возникновение магнитного поля вокруг проводников с электрическим током.

Более того, в едином пространстве-времени оказывается относительным понятие одновременности удаленных событий. Так, два события, одновременные в одной системе отсчета, могут быть неодновременными в другой. Однако порядок «раньше-позже» сохраняется во всех ИСО для всех событий, которые могут быть связаны сигналом. Наконец, здесь возникает иное правило преобразования скоростей, отличное от простого сложения. Его применение не противоречит принципу постоянства скорости света в любых ИСО. И оно также находит экспериментальные подтверждения.

Максимально объективное описание природы, независящее от выбора конкретной ИСО, требует признать концепцию единого пространства-времени. Сложное и тонкое переплетение этих категорий открывает путь к последовательному описанию самых фундаментальных представлений о природе.

Соответствующие четырехмерные скаляры принято называть просто инвариантами. Примерами таких инвариантов, помимо интервала между событиями, могут служить масса и электрический заряд. Что касается четырехмерных векторов, то они представляют собой комбинации ряда величин, являющихся скалярами и векторами в трехмерном пространстве. Так, четырехмерный вектор расстояния объединяет в себе промежуток времени (скаляр) и трехмерный вектор расстояния. Аналогично, четырехмерный вектор энергии-импульса объединяет трехмерный скаляр – энергию и трехмерный вектор – вектор импульса. Это значит, что данные величины по отдельности характеризуют объект только в фиксированной СО, а в совокупности они образуют единую фундаментальную физическую величину, имеющую смысл во всех ИСО.

Таким образом, концепция единого пространства-времени Эйнштейна противостоит представлениям Ньютона о бесконечной протяженности в виде абсолютного пространства, вмещающем материю, и равномерной длительности в виде абсолютного времени, в котором все возникает и исчезает. Именно эта концепция позволила сформулировать взгляд на природу в рамках классической стратегии познания и создать основание для единого описания частиц или электромагнитного поля. Она основана на достоверных экспериментальных фактах и охватывает самые общие формы бытия материи. Многообразие пространственно-временных отношений проявляется на всех структурных уровнях материи как в классической, так и в неклассической физике.

Контрольные вопросы:

1. Какое первое свойство пространства и времени? В чем оно заключается?

2. Назовите второе свойство пространства и времени. Его следствие.

3. Что называется пространственными координатами?

4. Что может выступать в роли системы отсчета (СО)?

5. Назовите первый фундаментальный закон природы.

6. В чем заключаются эффекты «сокращения длины» и «замедления времени»?

7. С каким эффектом связано возникновение магнитного поля вокруг проводника с электрическим током?

8. Что такое изотропность пространства?

Дата добавления: 2014-12-23 ; просмотров: 21 ; Нарушение авторских прав

Источник