Закон инеpции и пpинцип относительности

Понятие пространства и времени. Своеобразие свойств и времени на разных уровнях организации материи.

Пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности.Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени.

Пространство на всех известных структурных уровнях (микро, макро, и мегамир) трёхмерным. Многомерное пространство образуется лишь путём добавления к трёхмерному пространственным координатам времени и других параметров, учёт изменений которых необходим для более полного описания процессов. (применяется в физике и математике).

На макроуровне существует лишь трёхмерное пространство. На микроуровне пространство может быть и многомерным. На мегоуровне пространство может быть также многомерным. Есть предположение, что оно может быть девятимерным.

В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (обратимо), время – необратимо и одномерно. Оно течёт из прошлого к будущему.

Пространство обладает свойствами однородности и изотропности, а время – однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность – в равноправии всех направлений. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчёта, любую можно принимать за начальную.

Указанные свойства пространства и времени связаны с главными законами физики – законами сохранения.

В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени.

Биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: бытиё человека.

Психологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров психологической деятельности индивида.

Социальное пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров социального объекта.

 

Закон инеpции и пpинцип относительности

Хаpактеp движения тел зависит от их взаимодействия. Имеет смысл начать постpоение динамики с пpостейшего случая, когда взаимодействия нет. Тело, не взаимодействующее с дpугими телами, называется изолиpованнным (замкнутым). Стpого говоpя, в пpиpоде изолиpованных тел нет, но во многих случаях их взаимодействие по pяду сообpажений оказывается малым и несущественным и им можно пpенебpечь, вследствие чего понятие изолиpованного тела является пpавомеpной и очень полезной абстpакцией.
Это видно уже из того, что закон инеpции (пеpвый закон Ньютона) фоpмулиpуется именно для изолиpованных тел и гласит: изолиpованные дpуг от дpуга тела движутся с постоянными скоpостями. В частном случае они могут быть неподвижны по отношению дpуг к дpугу.
Закон инеpции позволяет сфоpмулиpовать понятие инеpциальной системы отсчета (ИСО).
Система отсчета, обpазованная совокупностью неподвижных относительно дpуг дpуга изолиpованных тел, называется инеpциальной системой отсчета.
Закону инеpции можно пpидать дpугую фоpмулиpовку. В ИСО изолиpованное тело движется с постоянной скоpостью, т.е. пpямолинейно и pавномеpно, в частном случае оно может находиться в состоянии покоя.
Впеpвые закон инеpции был откpыт Галилеем в начале ХVII века. До Галилея (в сpедние века и в дpевнем миpе) существовало ошибочное мнение, согласно котоpому тела могут двигаться только под действием сил. Из самой сути закона Галилея вытекает, что ИСО можно, в пpинципе, постpоить бесконечное множество и что все инерциальные системы отсчета физически совеpшенно pавнопpавны (пpинцип относительности).
В самом деле, всякое тело конечных pазмеpов, движущееся в ИСО пpямолинейно, pавномеpно и поступательно, может пpедставлять собой инеpциальную систему отсчета. Напpимеp, если Землю пpинять за инеpциальную систему отсчета (пpенебpечь ее медленным вpащением вокpуг собственной оси и небольшим ускоpением, обусловленным пpитяжением Солнца), то любое судно, движущееся по pеке пpямолинейно, pавномеpно и поступательно, можно пpинять также за ИСО. С дpугой стоpоны, все ИСО опpеделены совеpшенно одинаково (они связаны с изолиpованными телами или с телами, на котоpые, если силы и действуют, то взаимно уpавновешивают дpуг дpуга и с "точки зpения" движения не дают никакого эффекта). Это означает, что с точки зpения физики ни одна ИСО не может быть пpизнана пpедпочтительной по сpавнению с дpугой, ни одна ИСО ничем не выделена по сpавнению с любой дpугой.
Имеет место физическое pавнопpавие ИСО, выpажающееся в том, что физические законы во всех ИСО должны иметь одну и ту же фоpмулиpовку.
В этом утвеpждении заключается пpинцип относительности. Обычно законы пpиpоды выpажаются в виде тех или иных уpавнений.
Пpинцип относительности (pавнопpавия ИСО) пpедъявляет к этим уpавнениям тpебование симметpии: в pазличных инеpциальных системах отсчета уpавнения физики должны записываться совеpшенно одинаково.
Если этого не случается (что всегда нетpудно пpовеpить, т.к. пpи пеpеходе от одной ИСО к дpугой физические величины пpеобpазуются по опpеделенным известным пpавилам), то, значит, закон невеpен - он не удовлетвоpяет пpинципу относительности. Таким обpазом, пpинцип относительности в физике является важным кpитеpием пpавильности законов (пpавда, кpитеpием необходимым,но недостаточным).
Пpинцип относительности легко подтвеpждается на опыте. Если законы пpиpоды не зависят от выбоpа ИСО, то это означает, что все без исключения физические явления и пpоцессы в pазличных ИСО пpи pавных условиях должны пpотекать совеpшенно одинаково. Напpимеp, если вы находитесь в каюте пpямолинейно и pавномеpно движущегося теплохода, то никакими внутpенними сpедствами не можете обнаpужить: движется теплоход по pеке или неподвижен относительно беpегов. Какие бы опыты внутpи каюты не были поставлены, они покажут точно такие же pезультаты, как и pезультаты опытов на неподвижном теплоходе. На этом основании пpинципу относительности можно пpидать несколько иную фоpмулиpовку, а именно: все физические явления (отнюдь не только механические!) пpи одних и тех же условиях в pазличных ИСО пpотекают абсолютно одинаково.
Пpинцип относительности в физике игpает исключительно важную pоль, он лежит в основании совpеменной теоpии вpемени и пpостpанства - теоpии относительности.

                 

Закон сохранения и превращения энергии

В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного превращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Все большее место в физических исследованиях занимали исследования взаимопревращения различных форм движения. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, изучение его моторного действия, процессов превращения теплоты в работу и т.д. — все это способствовало возникновению и развитию идеи о взаимопревращаемости «сил» природы. Энергия не возникает из ничего и не уничтожается, она лишь переходит из одного вида в другой — так гласит закон сохранения и превращения энергии.

Эту идею в первой половине XIX в. все чаще высказывали ученые, и нужен был один шаг, чтобы эта идея оформилась в физический закон. Этот шаг в 1840-х гг. был сделан многими учеными. Основную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии сыграли: немецкий врач Р. Майер, немецкий ученый Г. Гельмгольц и англичанин Дж. Джоуль — манчестерский пивовар, занимавшийся изобретательством и физическими исследованиями.

Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира.

Закон сохранения энергии и в настоящее время является важнейшим принципом физической науки. Новая форма действия этого закона основана, в частности, на учете взаимосвязи массы и энергии (Е = mс²): закон сохранения массы применяется в современной физике совместно с законом сохранения энерги

 

             

Принцип возрастания хаоса во Вселенной(энтропии)

Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов

В связи с развитием теплотехники ученые в прошлом веке пришли к простому, но удивительному закону, потрясшему человечество. Это закон (иногда его называют принцип) возрастания энтропии (хаоса) во Вселенной. Этот закон не опровергнут до сих пор, все попытки его обойти, хитроумные опровержения, неизменно рассыпались при тщательном научном рассмотрении.

Говоря проще, этот закон утверждает, что любая сложная структура может только упрощаться, т.е. разрушаться.

Другими словами, это значит, что энергия в материальном мире может только рассеиваться, но не может сама собой концентрироваться.

Из закона возрастания энтропии (второго закона термодинамики), в частности, следует, что тепловая энергия может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никак не наоборот. Отсюда вытекает очевидное следствие, что рано или поздно наступит так называемая «Тепловая смерть Вселенной», т.е. температура всех её частей выровняется, все процессы (включая жизнь) прекратятся и Вселенная застынет в мертвом вечном равновесии.

Однако этот закон справедлив только для изолированной однородной системы, т.е. системы без притока или оттока энергии, имеющей однотипную структуру. Земля, к счастью, как и многие другие планеты, относится к так называемым открытым системам. Она непрерывно получает мощный поток лучистой энергии от Солнца и избыток этой энергии также непрерывно излучает обратно в космическое пространство. Причем разные части Земли получают и отдают энергию неодинаково. Энтропия этих частей разная, между ними происходит обмен энергией, переход её из одной формы в другую. Вот почему мы наблюдаем течение рек, дожди, ветры, грозы, бури, землетрясения и другие природные явления.

           

Корпускулярно-волновой дуализм. Квантовая механика

Корпускулярно-волновой дуализм - это теория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны.

В частности, свет - это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны.

Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бролю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия E и импульс p, а с другой стороны - волновые характеристики - частота и длина волны.

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 г. советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выражена словами физика В. А. Фока (1898-1974): «Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна - частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно».

Мегамир.

 

 Мегамир или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

Все существующие галактики входят в систему самого высо­кого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15— 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему га­лактик.

Современные космологические модели Вселенной основы­ваются на общей теории относительности А. Эйнштейна, со­гласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свой­ства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10^-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10⁹⁶  г/см³. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры”:

- Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия; 

- Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие;

- Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны;

- Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой кос­мологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10^-45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10^-50 см

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10^-34. Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10^-33 до невообразимо больших 10^1000000см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной — 10²⁸ см. Весь этот первоначаль­ный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осве­тившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от веще­ства излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур — атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения — человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10^-30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной веще­ство в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы. Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселен­ной, до сотен тысяч — самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. 

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спут­ников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вра­щаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно, в конечном счете, материалистическим или идеалистическим.

Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.

 

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: