Журавлёва 1

Материалы лекций
Лекция 1.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Представления о пространстве и времени в механике Ньютона и ТО.
План лекции.
Представления Ньютона о пространстве и времени.
Определения понятия времени и пространства в современной науке.
Независимость пространства и времени в классической механике.
Представления о пространстве и времени в ТО.
Свойства времени и пространства.
Что такое часы?
Синхронизация часов.
« Ни одна физическая теория не возбуждала и будоражила умы со времён
античности так, как это вторжение в привычные представления о пространстве и
времени»,- так писал Макс фон Лауэ о теории относительности.
Воззрения на пространство и время считались вечными истинами до
выступления А.Эйнштейна.
Представления Ньютона
Время.
Ньютон считал, что есть абсолютное,
истинное и математическое время,
текущее однообразно, без связи с
внешним миром.
Пространство.
Ньютон представлял пространство
как некую ёмкость, которая остаётся
постоянной и неподвижной.
Критика взглядов Ньютона
Наши представления о времени мы
получаем «через зависимость вещей
друг от друга». Понятие абсолютного
времени – «понятие-чудовище».
Мах.
Абсолютное пространство –
безнадёжная идея, не имеющая
никакого смысла.
Мах.
Окружающий мир находится в процессе постоянных изменений. Процессы
следуют в определённой последовательности; каждый процесс имеет
определённую длительность. В мире происходит постоянное развитие. Эти
общие свойства развивающегося, изменяющегося мира в сознании
человека отразились в виде понятия времени.
Под временем понимается свойство материальных процессов иметь
определённую длительность, следовать друг за другом в определённой
последовательности и развиваться по этапам и стадиям (А.Н.Матвеев. Механика
и теория относительности. М. Высшая школа. 1976. стр.50).
Время – форма существования материи, выражающая порядок изменения
объектов и явлений действительности (Физическая энциклопедия, т.1, с.345).
Время – последовательность сменяющих друг друга явлений (Философский
словарь,с.75).
Время – отношения последовательности событий друг за другом в их
относительной длительности.
Время – количественное бытие движения (К.Маркс).
Время есть как бы распавшаяся вечность, и в этой распавшейся вечности
неуловима ни одна из распавшихся частей, ни прошлое, ни настоящее, ни
будущее. ( Мир философии. С. 233. Бердяев).
Время есть также продукт движения, активности, творчества, не
ущерблённых и притянутых вниз. . ( Мир философии. С. 237. Бердяев).
Время есть реализация судьбы ( Мир философии. С. 234. Бердяев).
Таким образом, время не может быть отделено от материи, её движения, оно
является формой существования материи. Так же не имеет смысла говорить о
пространстве самом по себе, не имеет смысла говорить о времени самом по
себе. Представление о течении времени вне связи с материальными процессами
является бессодержательным. Лишь изучение этих процессов и их взаимосвязей
и соотношений наполняет понятие времени физическим содержанием.
Пространство выражает порядок расположения одновременно
сосуществующих объектов (Философский словарь).
Пространство – это отношение взаимного расположения тел друг относительно
друга и их относительного размера.
Классические представления
Время и пространство существуют
независимо друг от друга.
Время и пространство самостоятельные, существующие
независимо от материи и движения.
Такие представления в механике
сложились на основе трёх законов
Ньютона и законе всемирного
тяготения. Не следует думать, что
они неправильны. Они верны лишь в
небольших по астрономическим
масштабам областях пространства и
для относительно коротких по тем же
меркам промежутков времени. Они
перестают соответствовать
действительности только тогда, когда
речь идёт о Вселенной в целом, или,
по крайней мере, доступной
астрономическим наблюдениям её
Представления в ТО
Время и пространство существуют не
сами по себе, в отрыве от материи, а
находятся в такой универсальной
взаимосвязи, в которой они теряют
самостоятельность и выступают как
стороны единого и многообразного
целого. Из ОТО Эйнштейна следует,
что реальное пространство нашей
Вселенной неевклидово. Более того,
геометрия нашего пространства
меняется с течением времени. А само
время течёт с разной скоростью в
различных областях Вселенной.
Именно поэтому ОТО называют
теорией пространства – времени.
Согласно этой теории,
геометрические свойства
пространства, изменение его
геометрии со временем, а также
части, которую называют
Метагалактикой, а также в сильных
полях тяготения (Энц. словарь юного
физика. М. Педагогика. 1984г.с. 222).
скорость течения самого времени
зависят от распределения и движения
вещества – материи. В свою очередь,
движение материи и распределение
её в пространстве зависят от
геометрии. Оба процесса
взаимосвязаны: распределение и
движение изменяют геометрию
пространства-времени, а изменение
геометрии пространства-времени
определяет характер распределения и
движения материи в нём. Эти
процессы самосогласованы. А это
означает, что пространство и время
не абсолютны, а относительны – они
проявляют себя по-разному в
зависимости от конкретных условий .
(Энц. словарь юного физика. М.
Педагогика. 1984г.с. 223).
Какими свойствами обладают время и пространство?
Физические свойства времени и пространства.
1. Всякий объект имеет местоположение по отношению к СО,
протяжённость, т.е. существует в пространстве.
2. Всякий процесс имеет конечную длительность, происходит одновременно
с другими процессами, т.е. протекает во времени.
3. Всякое движение может быть описано только тогда, когда задана СО и
момент начала отсчёта времени, которые явно или нет, входят в законы
физики.
4. Любое движение определённо описано относительно выбранной СО,
связанной с материальными объектами.
5. Пространственно-временные характеристики относительны и зависят от
движения материи (Мощанский. Формирование мировоззрения учащихся
при обучении физике. М. Просвещение.1986г. с.121-122).
Философские свойства времени.
1. Время распадается на прошлое, настоящее и будущее. Но прошлого уже нет,
будущего ещё нет, а настоящее распадается на прошлое и будущее
неуловимо (Бердяев).
2. Двойственность времени выражается в том, что одинаково непереносимы и
неизменность человеческой природы, отрицание вечно нового, творческого
изменения, и её постоянная изменяемость, отрицание вечного в человеческой
природе (Бердяев).
3. Время есть изменения в двух разных направлениях - в направлении
повышения жизни и смерти. Время в той его части, которая именуется
«будущим», есть страх и надежда, ужас и радость, забота и освобождение.
Время есть парадокс, и понять его можно только в его двойственности
(Бердяев).
4. «Есть только миг между прошлым и будущим, именно он называется жизнь».
Среди многообразных процессов, происходящих в природе, на себя в первую
очередь обращают внимание периодические (повторяющиеся) процессы.
Примеры таких процессов:
- повторение дней и ночей;
- смена времён года;
- суточное движение звёзд;
- биение сердца (пульс);
- частота дыхания;
- вращение стрелки на ручных часах;
- вращение Земли вокруг Солнца;
- колебания кварцевой пластинки;
- колебания маятника;
- излучение энергии атомом.
Изучение этих процессов приводит к следующим выводам: материальные
процессы имеют длительность; сравнение длительностей приводит к идее их
измерения. Практика показывает, что выделить необходимо те, которые
обладают наилучшим постоянством длительности.
Принятый за эталон измерения периодический процесс называется часами.
Прежде всего возникает вопрос: что значит, что часы в разных точках отсчёта
идут одинаково? Это означает следующее. Пусть некоторый физический
процесс может переносить информацию из одной точки в другую. Такой
процесс называется сигналом. Им может быть световая вспышка, пуля,
выпущенная из одной точки в другую, и т.д. тогда будем из одной точки
посылать сигналы через одинаковые промежутки времени. Если в другую точку
сигналы приходят через те же одинаковые промежутки времени, то можно
сказать, что темп хода часов в различных точках одинаков.
Но как определить, что выбранный эталон действительно надёжен? Ещё
Ньютон писал: «Естественные солнечные сутки, которые мы считаем равными,
в действительности, не равны». Каков смысл этих слов? Ведь если оборот Земли
вокруг оси выбран за эталон времени, сутки равны по определению. Ответ чисто
экспериментальный. Учёные располагают не одним эталоном, а целым набором
самых разных по своей физической природе повторяющихся процессов.
Выделяют те из них, которые проходят синхронно при сравнении друг с другом,
и именно их объявляют эталонами измерения «истинного» времени.
В 1967 году был введён новый эталон секунды на основе «атомных» или
«цезиевых» часов.
1 секунда- единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения
изотопа атома цезия-133. (смотреть стр.20, Ф-10 В.А.Касьянова).
Возникает вопрос: что значит, что часы в разных точках отсчёта идут
одинаково? Это означает следующее. Пусть некоторый физический процесс
может переносить информацию из одной точки в другую. Такой процесс
называется сигналом. Им может быть световая вспышка, пуля, выпущенная из
одной точки в другую, и т.д. тогда будем из одной точки посылать сигналы
через одинаковые промежутки времени. Если в другую точку сигналы приходят
через те же одинаковые промежутки времени, то можно сказать, что темп хода
часов в различных точках одинаков
(смотреть стр.20, Ф-10 В.А.Касьянова).
Свет с самого начала является естественным сигналом для синхронизации
часов. Если из точки, часы в которой показывают t0, испускается сигнал с
постоянной скоростью с, то в тот момент, когда он придёт в точку на
расстоянии S, то часы должны показывать t=t0+S/c, где
t0 - показания часов в точке, из которой испускается световой сигнал;
t - показания часов в точке, в которую сигнал пришёл.
При синхронизации с помощью сигнала с постоянной скоростью всегда
возникает вопрос, чему равна эта скорость и действительно ли она
постоянна?