 |
Проблемы пространства-времени. Теория относительности
|
|
|
|
Структурные уровни организации материи
Доступная нам природа условно разделяется на следующие уровни:
· · микромир (элементарные частицы, ядра атомов, комплексы ядер, атомы, молекулы),
· · макромир (комплексы молекул; микрофизические комплексы: кристаллы, коллоидные системы; клетка; организмы; сообщества организмов: экосистемы, биосфера)
· · мегамир (планеты, звездно-планетные комплексы, галактики, Метагалактика).
На основании этих представлений выделяют:
1. 1. Геоцентрический мир - реальный мир на уровне макромира. Явления геоцентрического мира описываются евклидовым пространством, ньютоновым (абсолютным, одномерным) временем и лейбницевым качеством, где целое всегда больше части.
2. 2. Негеоцентрический мир - микромир и мегамир, описываемые неевклидовым пространством (геометрии Лобачевского-Римана), неньютоновым временем, нелейбницевым качеством (теория относительности, квантовая механика).
Структура микромира. В настоящее время в микромире выделяется четыре уровня вещества:
1. 1. молекулярный;
2. 2. атомный;
3. 3. нуклонный (уровень атомного ядра);
4. 4. кварковый.
Уже обсуждается возможный облик пятого уровня вещества - суперструнного. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют другие свойства соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и проявлениях. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению, т. е. меньше 10-15 см.
|
|
|
Исходя из значения спина (внутренней степени свободы движения частицы), все элементарные частицы можно разделить на две группы:
· · частицы с целочисленным спином (0, 1, 2...) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. Поля бозонов переходят в классические поля. Так, одна из бозонных частиц, - фотон может стать классическим электромагнитным полем, излучающим свет, радиоволны. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей.
· · частицы с полуцелым значением спина (1/2, 3/2...) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. Этот закон квантовой механики получил название запрета Паули. Поля фермионов всегда остаются квантованными и легко переходят в частицы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.
Класс лептонов включает 6 частиц и 6 античастиц:
· · электрон,
· · мюон,
· · тау-лептон,
· · три вида нейтрино.
Лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов и в сильных взаимодействиях.
Класс кварков также содержит 6 частиц и столько же античастиц. Каждый тип кварков физики условно назвали ароматом. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, обозначающих их названия:
u - up - верх,
d - down - низ,
s - strange - странность,
c - charmed - очарование,
b - beauty - красота,
t - truth - истина.
Аромат обозначает квантовое число, приписываемое частице данного типа. Кварки - электрически заряженные частицы, но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, принятого за 1, и равны 1/3, 2/3 с положительным или отрицательным знаком.
Кварки и антикварки группируются по 2 или по 3 частицы и образуют составные частицы адроны. Отдельно от адронов кварки существовать не могут. Адроны подразделяются на 3 группы:
|
|
|
1. 1. Барионы - образуются комбинациями трех кварков. Эта группа включает протон и нейтронкак фундаментальную основу атомных ядер.
2. 2. Мезоны - частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка.
3. 3. Антивещество - содержит частицы, образуемые сочетанием трех антикварков. В это группе находятся антипротон и антинейтрон.
Большую часть комбинаций кварков составляют резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. Дальнейшие исследования показали, что кварки одного аромата не идентичны и различаются характером взаимодействием друг с другом. Поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число, которое условно назвали цветом. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три «цвета» - красный, зеленый и синий - отражает действительность.
Физическая картина мира
Естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI-XVII вв., долгое время было связано с развитием физики. Физика была и остается сегодня наиболее развитой и систематизированной наукой, поэтому она во многом оказала влияние на общее мировоззрение европейской цивилизации, начиная с Нового времени. Создание химической и биологической картин мира произошло лишь в ХХ веке.
Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой, вводит в физику новые философские идеи. Длительное время картина мира остается неизменной, но в результате научной революции, ведущей к смене парадигмы, заменяется новой.
Ключевым в физической картине мира является понятие о материи. Это основная парадигма физики. Смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических (корпускулярных) представлений о материи к полевым (континуальным), а затем, в ХХ веке, континуальные представления были заменены современными квантовыми.
Первая - механическая картина мира сложилась в физике в результате научной революции XVI-XVII вв. на основе исследований Г. Галилея, П. Гассенди, Р. Декарта, И. Ньютона.
|
|
|
Основу механической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая человека, представлял как совокупность огромного числа атомов, перемещающихся в пространстве и времени.
Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, поэтому Ньютон считал законы движения фундаментальными законами мироздания. Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия, согласно которому взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии без материальных посредников. Ньютоном была также предложена концепция абсолютного пространства и времени, т. е. существующих независимо от материи.
На основе механической картины мира в XVIII- начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Это способствовало быстрому развитию техники. Все это привело к абсолютизации механической картины мира и дальнейшему ее кризису. Попытка распространения методов и законов механики на область тепловых явлений, электричество, магнетизм, жизнь, разум потерпели неудачу и привели к дальнейшей смене физической картины мира.
Становление электромагнитной картины мира было связано с открытиями М. Фарадея. Изучая электрические и магнитные явления, Фарадей пришел к идее замены корпускулярных представлений о материи континуальными (непрерывными). Он сделал вывод, что электромагнитное поле бесконечно и непрерывно, с точечными центрами электрических зарядов и волновыми движениями в нем. Движение понималось как распространение колебаний в поле, которое подчинялось законами термодинамики.
Пространство и время перестали быть самостоятельными и независимыми от материи. Изменился взгляд на проблему взаимодействия. Концепция дальнодействия Ньютона была заменена принципом близкодействия Фарадея, в соответствии с которым любые взаимодействия передаются полем непрерывно и с конечной скоростью.
Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, но вскоре в физике стали возникать проблемы с объяснением новых открытий: фотоэффекта, линейности спектра атомов, теории теплового излучения, радиоактивности. Появившиеся учения о строении атома противоречили электромагнитной картине мира. Все это привело в начале ХХ века к замене электромагнитной картины мира современной физической.
|
|
|
В начале ХХ века в физике возникли два взаимоисключающих представления о материи: 1) либо материя абсолютно непрерывна, 2) либо она состоит из дискретных частиц. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что каждой частице соответствует определенная волна, т. е. каждой частице материи присущи и свойства волны (непрерывность) и дискретность (квантовость). Вскоре эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга.
Так сложились новые квантово-полевые представления о материи, которые определяются сейчас как квантово-волновой дуализм, т. е. наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы.
Современная физическая картина мира окончательно утвердила представления о пространстве и времени как о неразделимом с материей, едином, четырехмерном пространственно-временном континууме.
Спецификой квантово-полевых представлений о материи является их вероятностный характер, что соответствует более глубокому уровню познания природных закономерностей.
Современная физическая картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы и развиваются новые теории.
Проблемы пространства-времени. Теория относительности
Естественные науки часто связаны с изменением длин и длительностей, т. е. пространственно-временными характеристиками объектов.
Понятие пространства возникло в науке на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени основано на восприятии человеком смены событий, состояний предметов и круговорота различных процессов.
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь своего становления и развития. Отметим наиболее значимые концепции пространства и времени:
· · обыденные представления о пространстве и времени как об условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.
· · концепция абсолютного пространства и времени. Разработана И. Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии», в которой были определены понятия пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон выделил два типа этих понятий: абсолютные и относительные.
|
|
|
Абсолютное время, т. е. без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни (час, день, месяц, год и т. д.). Абсолютное пространство всегда безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда неизменным и неподвижным. Относительное пространство существует всегда относительно других тел.
Таким образом, пространство время являются как бы вместилищами самих себя и всего существующего, как некий «черный ящик», куда помещены все объекты бытия.
· · Реляционная концепция Лейбница - рассматривала пространство как порядок сосуществования тел, а время как порядок отношения и последовательность событий.
· · Беркли, Мах, Авенариус считали пространство и время порождением человеческого сознания.
· · И. Кант понимал пространство и время как вечные, неизменные категории сознания.
· · Концепция дальнодействия в физике утверждала, что гравитационные и электрические силы мгновенно распространяются через пустое абсолютное пространство.
· · Концепция близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля как среды, передающей взаимодействие.
· · В ХХ веке, после крушения гипотезы эфира, пространство и время стали рассматриваться как атрибуты материи.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.
Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам. Это означает, что, если в движущемся поезде бросить вверх мяч, то он упадет вниз, а не назад. Покоящийся в движущемся поезде предмет для человека, стоящего на перроне, будет восприниматься как движущийся. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета.
В специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединила пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются на уровне элементарных частиц.
Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, частиц, полей, волн.
Общая теории относительности подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено еще в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам. Возникающим под действием ускорения.
Общая теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Было установлено, что при прохождении сигнала вблизи Солнца, его задержка составила 0,0002 с. Общая теория относительности допускает полную остановку времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи предполагаемых сверхплотных космических объектов, испытывающих сверхсжатие, т. н. черных дыр.
Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L) и кванта времени, равного отношению L/c, ограничивающего точность определения временных интервалов.
Все свойства пространства и времени можно разделить на две большие группы. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи, тогда как специфические свойства проявляются лишь на отдельных структурных уровнях.
К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:
1. 1. Объективность и независимость от сознания человека;
2. 2. Абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи;
3. 3. Неразрывность между собой и с движущейся материей;
4. 4. Единство непрерывности и прерывистости в их структуре;
5. 5. Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.
Вместе с тем, пространство и время имеют специфические свойства. К специфическим свойствам пространства относятся:
· · протяженность;
· · непрерывность и связность (как отсутствие разрывов);
· · трехмерность (длина, ширина, высота);
· · наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве;
· · наличие симметрии или асимметрии;
· · изотропность (отсутствие верха, низа и др.);
К специфическим свойствам времени относятся:
· · длительность;
· · единство прерывного и непрерывного;
· · необратимость;
· · одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему);
· · конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы);
· · неодновременность событий в разных системах.
Кроме общих пространства и времени, некоторые авторы выделяют в качестве самостоятельных: биологическое, социальное, индивидуальное, художественное, историческое и др. пространства и время. Основания для этого есть, но во всех этих специфических системах проявляются в большинстве общие пространственно-временные свойства.
|
|
|
