Свойства пространства-времени и законы сохранения
Концепции современного естествознания
Лекция: «Материя, время и пространство»
Физика - одна из составных частей естествознания. Наиболее общими понятиями физики являются материя, движение, время и пространство.
Материя – это все виды существования вещества. Она подразделяется на вещество, физическое поле и физический вакуум. Любое изменение, происходящее в материи, называется движением материи.
Вещество – это вид материи, обладающий массой. К вещественным объектам относятся: фундаментальные частицы (кварки) ® элементарные частицы (электрон, протон) ® атомы ® молекулы ® и многочисленные объекты, образованные из них.
Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия (например, трение); это обуславливает различные агрегатные состояния вещества (газ, жидкость, твердое тело, плазма).
Плазма – это вещество, нагретое до температуры в миллионы градусов, и представляющее собой электронно-протонную смесь (атомное строение разрушается).
Физическое поле – это вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся:
1) гравитационное поле;
2) электромагнитное поле;
3) поле ядерных сил;
4) волновые (квантовые) поля, соответствующие различным частицам.
Источником физического поля являются частицы (например, электромагнитное поле – частицы, имеющие заряд).
|
|
|
Физический вакуум – это низшее энергетическое состояние квантового поля.
Всеобщими универсальными формами движения материи в настоящее время принято считать время и пространство.
Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого процесса или явления. Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Этот постулат не проверяем, поскольку точность самых современных атомных часов составляет 10-11 с.
При создании классической механики в 17 в. И. Ньютон ввел понятие абсолютного или истинного времени, которое течет всегда и везде равномерно, и относительного времени, как меры продолжительности, употребляемой в обыденной жизни.
В современном представлении время всегда относительно. Из теории относительности А. Эйнштейна следует, что (1) при скорости, близкой к скорости света в вакууме (~3*108 м/с), время замедляется; (2) сильное поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. В обычных земных условиях такие эффекты чрезвычайно малы.
Важнейшее свойство времени заключается в его необратимости, которая обусловлена сложным взаимодействием множества природных систем, в том числе атомов и молекул, и символически обозначается стрелой времени, летящей всегда из прошлого в будущее.
|
|
|
Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. Для человеческих органов чувств оно трехмерно, тогда как на самом деле пространство многомерно. В основе практической деятельности людей свойства пространства определяются геометрией Эвклида.
Таким образом,пространство выражает порядок существования физических тел.
В классической механике по аналогии с абсолютным временем И. Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое существует независимо от находящихся в нем физических объектов и может быть совершенно пустым. Сегодня установлено, что абсолютного движения, как и абсолютного покоя тел, в природе не существует: пространство, как и время, относительно.
Специальная теория относительности А. Эйнштейна объединила пространство и время в единый континуум пространство-время. Основанием для такого объединения служит принцип относительности и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных объектов (скорости света в вакууме). Из этой теории следует (1) относительность одновременности двух событий, произошедших в разных точках пространства, а также (2) относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга.
|
|
|
В соответствии с общей теорией относительности свойства пространства-времени зависят от наличия материальных объектов. Любой материальный объект искривляет пространство (описывается геометрий Римана или геометрией Лобачевского). Предполагается, что вокруг массивного тела при очень большой плотности вещества искривление становится настолько существенным, что пространство-время как бы «замыкается» само на себя, отделяя данное тело от остальной Вселенной, и образуя черную дыру, которая поглощает материальные объекты и электромагнитное излучение. На поверхности черной дыры для внешнего наблюдения время как бы останавливается.
Принцип относительности
Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г.Галилеем для механического движения: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму.
Инерциальная система отсчета – это система, в которой выполняется первый закон Ньютона, такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью (например, гелиоцентрическая система отсчета с началом координат в центре Солнца).
|
|
|
Этот принцип относительности означает, что уравнения динамики при переходе из одной инерциальной системы отсчета к другой не изменяются, то есть инвариантны относительно к преобразованию начала координат.
Впоследствии А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А.Эйнштейн использовал его при создании специальной теории относительности (СТО) в 1905 г.
В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, то есть физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.
Специальная теория относительности включает два постулата:
1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой.
2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Общая теория относительности (ОТО) или теория тяготения А. Эйнштейна (1915-1916 гг.) – это результат развития СТО: свойства пространства-времени зависят от поля тяготения.
Свойства пространства-времени и законы сохранения
Принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени – смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.
Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией(например, кристаллы, раковины).
Из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью.
Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как единого целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, то есть не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.
Для количественного описания движения тела используется понятия импульса (масса тела *скорость тела). Из свойства однородности пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.
Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Из этого следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть не изменяется со временем.
Консервативная сила – это сила, работа которой при перемещении тела зависит только от начального и конечного положения тела в пространстве. Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной (например, сила трения).
В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, полная механическая энергия не сохраняется, но она переходит в другие виды энергии. Закон сохранения и превращения энергии: энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. Энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.
Еще одно свойство симметрии пространства – его изотропность.Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, то есть относительно ее поворота в пространстве на любой угол. Вращательное движение механической системы описывается с помощью момента импульса (импульс*радиус вращения). Из изотропности пространства следует фундаментальный закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени.
Связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нутер. Фундаментальная теорема Нутер: из однородности пространства и времени следуют законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 421; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!