Пространство и время

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Гравитация -- геометрия пространства-времени

2. Пространство и время в теории относительности

3. Пространство и время в физике микромира

4. Вселенная, ее размеры и геометрия

5. Возможные геометрии Вселенной

Заключение

Список литературы

Введение

Природа материи, пространства и времени интересовала людей с незапамятных времён. Наверное с того времени когда у людей появилась свободная минута от трудностей жизни, взглянуть на звёзды и мир вещей. Основные дискуссии об устройстве мира развернулись в античности, между двумя философскими школами идеализма (Зенон, Платон) и материализма (Демокрит, Аристотель).

Накопленный опыт и знания в последствии вылилось в развитие пространственно-временных представлений в современной науке физике. В данной работе попытаемся наглядно рассмотреть что же из себя представляет время, пространство, материя и гравитация.

Начинать исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии, анализируя затем процесс развития пространственно-временных представлений вплоть до наших дней.

1. Гравитация -- геометрия пространства-времени

Когда знаешь результат идеи, легче объяснять естественность ее происхождения. На геометричность гравитации намекал уже обнаруженный Галилеем факт: свободное падение тела не зависит от его массы. Были у Эйнштейна и другие намеки.

Ускорение наблюдателя эквивалентно гравитации, а вращение -- тоже ускоренное движение -- порождает неевклидовы соотношения.

Реально-относительные изменения пространственных и временных размеров подчинены абсолютной хроно-геометрии пространства-времени. И наконец, если луч света -- идеальный эталон прямой линии -- искривляется гравитацией, то что же тогда прямая? Не остается ли луч света «самой прямой» из всех возможных линий между двумя точками-событиями? Подобные соображения могли стоять перед мысленным взором Эйнштейна, когда его интуиция в очередной раз взлетела к великой идее: гравитацию описывает геометрия пространства-времени, но уже не геометрия Минковского, одинаковая во всех своих точках-событиях, а переменная, меняющаяся в зависимости от распределения массы-энергии в пространстве-времени. Оставалось выяснить, как эту зависимость выразить математически и как связать математические величины с физическими измерениями. На это Эйнштейну потребовалось еще четыре года.

Открытие неевклидовой геометрии Лобачевским, развитое Гауссом, Риманом и другими, стало одной из главных научных сенсаций девятнадцатого века.

Не зря в романе «Братья Карамазовы», написанном в 1880 году, упоминаются «геометры и философы, которые сомневаются в том, чтобы вся вселенная или, еще обширнее, все бытие было создано лишь по Евклидовой геометрии, осмеливаются даже мечтать, что две параллельные линии, которые по Евклиду ни за что не могут сойтись на земле, может быть, и сошлись бы где-нибудь в бесконечности». Иван Карамазов этого не понимал «своим земным евклидовским умом», но в начале двадцатого века неевклидову геометрию уже легко было объяснить школьнику на примере геометрии сферы, назвав прямой, проходящей через две точки сферы, кратчайшую линию, даваемую натянутой нитью. Представив себя геометром, обитающим на сфере (и не видящим ничего за ее пределами), можно убедиться, что в этом двумерном сферическом мире любые две прямые пересекаются, а отношение длины окружности к радиусу меньше 2?.

Понятно, что если радиус сферы очень велик, то саму сферичность заметить трудно, как и было во времена, когда Землю считали плоской. В начале двадцатого века неевклидову геометрию примеряли ко Вселенной не только геометры и философы, но и астрономы, пытаясь оценить радиус трехмерной вселенской сферы на основе астрономических наблюдений. При этом, однако, предполагалось, что свойства геометрии одинаковы во всех точках пространства. Эйнштейн же думал о геометрии пространства-времени, обобщавшей 3+1-мерную геометрию Минковского так, что геометрические свойства меняются от точки к точке в зависимости от распределения и движения вещества. Математики к тому времени уже умели обращаться с такой переменной, или Римановой, геометрией, но физикам до Эйнштейна эта новая математика была совершенно ни к чему.

Эйнштейн, разумеется, прежде всего думал о новой физике, необходимой для описания гравитации, а новый математический язык требовался для выражения его физических идей. Эти идеи, надо сказать, не нашли сочувствия у коллег -- ни принцип эквивалентности, понятный школьнику, ни геометричность гравитации, не понятая никем. Хоть сам Эйнштейн был уже знаменитым автором теории относительности и гипотезы фотонов.

Пока он пытался воплотить свои соображения, коллеги публиковали свои теории гравитации по образу электродинамики, опираясь на его же теорию относительности. Коллеги, можно сказать, защищали теорию относительности от ее автора, посягающего на ее стройность и симметрию.

Их теориям не удавалось объяснить аномалию Меркурия, но они думали, что не все варианты исследованы. Увы, нам не узнать, как восприняли бы замысел Эйнштейна двое его коллег, подготовленных лучше всех.

Пуанкаре и Минковский, выдающиеся математики с сильным интересом к физике, внесли важный вклад в создание теории относительности, уже работали над релятивистской теорией гравитации и «по долгу математической службы» владели Римановой геометрией. Оба лишь немного не дожили до публикации замысла Эйнштейна соединить гравитацию и геометрию. Умерли они преждевременно и в обычном смысле слова: одному не было еще 60, другому -- 50 лет. Дай им история еще несколько лет, и, вполне вероятно, путь к реализации замысла Эйнштейна был бы короче.

Математика, нужная Эйнштейну, была настолько далека от физики, что он искал помощи. Будь жив Минковский, Эйнштейн обратился бы к нему. Ведь именно тогда он оценил важность идеи Минковского о геометрии пространства-времени в теории относительности. А кроме того, он был студентом Минковского в цюрихском Политехникуме, куда как раз в 1912 году Эйнштейна пригласили в качестве профессора физики. Однако история не захотела облегчить ему жизнь или же захотела большего драматизма.

Прибыв в Цюрих уже со своим замыслом, Эйнштейн навестил студенческого друга Марселя Гроссмана, к тому времени уже профессора математики, и попросил помочь. Гроссман согласился, «хотя, как настоящий математик, имел несколько скептическую точку зрения на физику» и отказался от какой-либо ответственности за физические утверждения. Он помог Эйнштейну разобраться в необходимой математике и написал математическую часть их совместной статьи, о чем осенью 1912 года Эйнштейн сообщал в письме:

Занимаюсь только гравитацией и надеюсь, с помощью здешнего друга-математика, преодолеть все трудности. Никогда в жизни я не трудился так усердно и сейчас преисполнен глубоким почтением к математике, которую ранее, по наивности, считал лишь утонченной роскошью.

2. Пространство и время в теории относительности

По сравнению с нынешней проблемой теория относительности -- детская игра. Скептический математик, не вникающий в физику, -- не лучший помощник для теоретика, старающегося прочесть новую страницу в Книге Природы. Книга эта, согласно Галилею, написана на языке математики, однако говорит она именно о физическом мироустройстве. Знания отдельных слов иногда недостаточно для понимания целой фразы. Для этого нужен не простой словарь, а фразеологический, и Эйнштейн, можно сказать, работал над таким физико-математическим словарем гравитации. Будь его соавтором Минковский, который физикой интересовался не меньше, чем математикой, можно думать, они уже в 1913 году дали бы миру новую теорию гравитации-пространства-времени.

В реальной же истории совместно-раздельная статья физика Эйнштейна и математика Гроссмана не зря была названа лишь «Проектом теории гравитации». Главной неувязкой проекта была его недо-геометричность. Геометрические свойства фигуры не должны зависеть от того, как фигура описана. А проект Эйнштейна -- Гроссмана ограничивал способ описания, как если бы разрешал использовать лишь слова с четным числом букв. Риманова геометрия вела к стройным уравнениям гравитации, если допустимы любые обозначения событий пространства-времени, однако Эйнштейн думал, что против этого есть физические возражения. Он ошибался, но понял это лишь два года спустя, завершив создание теории в 1916 году. И в этом завершении ему помог, можно сказать, Минковский.

В последние месяцы восьмилетней эпопеи по созданию теории гравитации Эйнштейн обсуждал свои проблемы с одним из крупнейших тогда математиков, Д. Гильбертом, который один лишь и подключился к реализации эйнштейновского проекта. Гильберт, близкий друг Минковского, издал его посмертное собрание трудов, включая работу «Пространство и время», что наилучшим образом подготовило Гильберта к восприятию эйнштейновского замысла теории гравитации.

Сам Гильберт не преувеличивал свою роль, признавая, что «любой мальчишка в Геттингене понимает в четырехмерной геометрии больше, чем Эйнштейн, но сделал дело именно Эйнштейн, а не математики». И это не потому, что Гильберт физику ставил выше математики. Напротив, он говаривал, что «физика слишком сложна для физиков», и предлагал математикам упростить ее, привести в порядок, применяя свой проверенный способ -- аксиоматизацию. Эту задачу он поставил на Международном конгрессе математиков в 1900 году, поставил шестой по порядку в перечне главных математических проблем наступившего века. Имел он в виду, что некоторые физические утверждения надо принять в качестве аксиом, из которых все остальные утверждения будут следовать согласно железной математической логике, подобно тому как выводятся теоремы из аксиом Евклида.

Не полагаясь на запасы философско-математической мудрости, Эйнштейн умел получать подсказки от самой Природы, даже если его коллеги-физики не принимали эти подсказки всерьез. Физика -- дело коллективное, и создание успешной теории обычно требует соучастия нескольких человек. В создании новой теории гравитации и у Эйнштейна были соучастники -- Эренфест, Минковский, Гроссман, Гильберт, однако вклад Эйнштейна был необычно велик, если сравнивать с другими теориями.

3. Пространство и время в физике микромира

Необычно большой оказалась и награда за успех. Он это понял первым, когда из только что созданной теории получил точное количественное объяснение не-ньютонова движения Меркурия и подтвердил оба эффекта, предсказанные им в самом начале его пути к теории гравитации. Оказалось, правда, что полная теория дает в два раза большее искривление луча света, что увеличило шансы проверить предсказание в астрономических наблюдениях. гравитация геометрия пространство время

Основной закон новой теории гравитации имеет вид

[R] = (G/c²) [T],

где [R] описывает геометрию пространства-времени, [T] описывает распределение массы-энергии, G -- гравитационная постоянная, c -- скорость света. Так что теория прямо показывает фундаментальное значение двух констант природы, вошедших в физику и измеренных задолго до того, как выяснилась их подлинная роль в устройстве мироздания.

В эйнштейновской теории гравитации движение масс объясняется не силами, а геометрией искривленного пространства и времени, точнее -- пространства-времени, потому что их уже накрепко связала постоянная c.

Искривленное пространство-время наглядно можно представить себе натянутой упругой пленкой, прогибаемой в некоторых местах гирьками: присутствие вещества искривляет геометрию, а тела движутся по прямейшим линиям этой геометрии -- правда, не в пространстве, а в пространстве-времени, где каждая точка -- это событие.

Такие линии называют геодезическими. Так что Меркурий движется в пространстве-времени по геодезической линии, которая в проекции на пространство дает почти эллиптическую орбиту, в целом медленно вращающуюся.

Чтобы узнать меру искривления пространства-времени, надо плотность вещества умножить на коэффициент G/c², чрезвычайно малый из-за малости G и огромности c. Потому-то кривизну пространства-времени так долго не замечали. Гораздо дольше, чем кривизну земной поверхности.

Учитывая роль постоянных с и G в эйнштейновской теории гравитации, ее можно назвать cG-теорией или cG-теорией пространства-времени. Сам Эйнштейн называл ее Общей теорией относительности, имея на то веские личные причины. При создании теории он использовал, наряду с принципом эквивалентности, «общий принцип относительности» -- отказ видеть в координатах метрические величины и возможность рассматривать произвольно искривленное пространство-время. Когда же теория была построена, оба вспомогательных принципа растворились в ней, потеряв самостоятельность.

В теории гравитации Эйнштейна нет никакой более общей относительности, чем в теории относительности. Впрочем, название теории не так важно, как ее содержание, а представление о содержании теории во время ее строительства и после окончания могут сильно отличаться.

В те годы, когда Эйнштейн искал теорию гравитации для описания астрономических явлений, он занимался и совсем другой физикой -- физикой атомов и квантов света. Иногда у него возникала надежда, что новая теория гравитации заодно решит и проблемы физики микромира.

Однако, завершив труд, Эйнштейн понял, что это не так, и трезво зафиксировал, что его теория гравитации «не может сказать о сущности других явлений природы ничего, что не было бы известно из теории относительности. Мое мнение, высказанное недавно по этому поводу, было ошибочным».

4. Вселенная, ее размеры и геометрия

Говоря о нашей Вселенной, мы различаем «Вселенную» и «наблюдаемую Вселенную».

Последнее включает лишь то, что мы можем видеть. Я не имею в виду, что у нас есть технология, чтобы реально «видеть» всю наблюдаемую вселенную. Я имею в виду под «наблюдаемыми» все объекты, свет от которых в принципе мог дойти до нас, учитывая время жизни Вселенной, скорость света и историю и будущее расширения Вселенной. Возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет. Из-за конечности скорости света мы не можем видеть то, что расположено от нас настолько далеко, что свету на путешествие до нас потребовалось бы больше времени, чем существует Вселенная.

Это не технологическое ограничение - это ограничение того, существует ли в принципе тот свет, который мы могли бы увидеть, будь у нас в распоряжении любая технология. Когда мы смотрим на окраины наблюдаемой Вселенной, мы смотрим в прошлое. Если свету потребовалось 13,7 миллиарда лет, чтобы дойти до нас, значит, мы видим Вселенную такой, какой она была 13,7 миллиарда лет назад, а не такой, какая она сейчас.

В целом Вселенная, возможно, бесконечна. Заявить это просто, но эту концепцию очень сложно представить, если подумать. Одним из решений этой проблемы можно назвать предложение не заморачиваться этим. Если вы задаёте себе вопросы типа «как она может расширяться, если она бесконечна», вы неправильно представляете себе бесконечность. Бесконечность - это концепция, а не число.

5. Возможные геометрии Вселенной

Геометрия Вселенной не обязана быть евклидовой. В зависимости от общей плотности энергии (включая плотность обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии), для кривизны Вселенной существуют три возможности.

Открыв любую книжку о космологии, написанную раньше 2000 года (и некоторые чуть более новые), вы, скорее всего, прочтёте, что закрытая вселенная реколлапсирует, а открытая - вечно расширяется. Но это так, только если плотность тёмной энергии вселенной нулевая.

Эти описания неявно подразумевали, что в нашей Вселенной доминирует материя и в этом случае геометрия и судьба Вселенной были сильно связаны.

В такой вселенной, как наша, где существует тёмная энергия, судьба и геометрия не связаны так сильно. Тёмная материя и тёмная энергия влияют как на форму Вселенной, так и на её судьбу, но влияют по-разному. Что именно случится с нашей Вселенной, зависит от того, какой именно окажется тёмная энергия. Но если она такая, как её представляет себе большинство из нас, Вселенная будет расширяться вечно и галактические кластеры будут всё дальше разлетаться друг от друга. При этом неважно, плоская наша Вселенная, открытая или закрытая

Заключение

Итак, исходя из вышесказанного, во времена Ньютона считалось, что свойства пространства и времени абсолютны, т.е. не зависят от наличия материальных тел, протекающих процессов и наблюдателей.

Современная физика показала ограниченность таких представлений: геометрические свойства пространства и времени тесно связаны с наличием и расположением массивных тел, зависят от характера протекающих процессов и даже от состояния наблюдателя.

В связи с этим сейчас принято говорить, что свойства пространства и времени относительны. Уже получены перспективные научные результаты и ведутся дальнейшие плодотворные поиски. Еще не раз нам придется ломать свои устоявшиеся представления о пространстве и времени, но одно всегда останется неизменным: пространство и время объективны, они представляют собой всеобщие формы существования материи и так же, как материя, качественно бесконечны.

Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная продолжает расширятся…

Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем?

А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной?

Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.

Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них. Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики - замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются.

С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает.

Однако астрономия не стоит на месте: появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут «заглянуть» на расстояния, которые еще в 40-x. годах ХХ столетия казались недоступными.

Однако надо себе ясно представить огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретиться на пути к звездам.

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является грандиозной задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка Вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна так, как она является вечно самодвижущейся материей.

Список литературы

1. Концепции современного естествознания / Под ред. С.И. Самыгина. Ростов н/Д, 2010.

2. Концепции современного естествознания. Ростов н/Д, 2008.

3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2006.

4. Скопин А.Ю. Концепции современного естествознания. М., 2010.

5. Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания. М., 2005.

6. http://ru.wikipedia.org/

Размещено на Allbest.ru