МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ
Білгородський ЮРИДИЧНИЙ ІНСТИТУТ
Кафедра гуманітарних і соціально-економічних дисциплін
Дисципліна: "Концепції сучасного природознавства"
РЕФЕРАТ
по темі:
"Фундаментальні закони матерії і
концепція відносності простору і часу "
Підготував:
професор кафедри ГіСЕД,
к.ф.н., доц.
Номерків А.Л.
Перевірив:
Студент 534 групи
Малявкин Г.М.
Білгород - 2008
План Реферати | Сторінки |
1. Основні концепції фізичних простору і часу: світоглядний екскурс | 4 |
2. Розвиток фізичних уявлень про простір і час в історії природознавства | 8 |
3. Проблема простору і часу в спеціальній теорії відносності А. Ейнштейна | 0 1 0 |
4. Проблема простору і часу в загальній теорії відносності А. Ейнштейна | 12 |
Висновок | 16 |
Введення.
Поняття простору і часу є філософськими категоріями і в цьому сенсі не визначаються в природознавстві. Для природних ж наук важливо вміти визначати їх чисельні характеристики - відстані між об'єктами і тривалості процесів, а так само - описувати їх властивості, піддаються експериментальному вивченню.
Матеріалістична філософія виходить з того, що "у світі немає нічого, крім рухомої матерії, і рухома матерія не може рухатися інакше, як у просторі і в часі". Простір і час, отже, виступають, з цих позицій, фундаментальними формами існування матерії. Класична фізика розглядала просторово - часової континуум як універсальну арену динаміки фізичних об'єктів. Однак розвиток некласичної фізики (фізики елементарних частинок, квантової фізики та ін) висунуло нові уявлення про простір і час. Виявилося, що ці категорії нерозривно пов'язані між собою. Виникли різні концепції: згідно з одними, у світі взагалі нічого немає, крім порожнього викривленого простору, а фізичні об'єкти є тільки проявами цього простору. Згідно з іншими, простір і час притаманні лише макроскопічними об'єктах.
Сказане може означати тільки те, що справжнє розвиток наукових уявлень не може бути несуперечливим.
1. Основні концепції фізичних простору і часу:
світоглядний екскурс
В історії науки розгляд світоглядних концепцій простору і часу зазвичай починають з зіставлення концепцій Демокріта і Арістотеля.
Перша з позначених тут концепцій, - атомістична доктрина, - була розвинена матеріалістами Древньої Греції Левкіппа і Демокрітом. Згідно цієї доктрини, все природне різноманіття складається з найдрібніших частинок матерії (атомів), які рухаються, стикаються і поєднуються один з одним у порожньому просторі. Атоми (буття) і пустота (небуття) є, з цієї точки зору, першоосновами світу. Атоми не виникають і не знищуються, їх вічність виникає з безначальности часу. Атоми рухаються в порожнечі нескінченний час. Безкінечного простору відповідає нескінченний час.
Прихильники цієї концепції вважали, що атоми фізично неподільні в силу їх щільності і відсутності в них порожнечі. Безліч атомів, які не розділяються порожнечею, перетворюються в один великий атом, вичерпний собою світ.
Відповідно до атомістичної концепцією простору Демокріт вирішував питання про природу часу і руху. Надалі вони були розвинені Епікура вже в систему. Епікур розглядав властивості механічного руху виходячи з дискретного характеру простору і часу. Наприклад, властивість ізотахіі полягає в тому, що всі атоми рухаються з однаковою швидкістю. Математично суть ізотахіі полягає в тому, що в процесі переміщення атоми проходять один "атом" простору за один "атом" часу.
Аристотель, у свою чергу, починає аналіз простору і часу з загального питання про існування часу, потім трансформує його у питання про існування діленого часу. Подальший аналіз часу ведеться Аристотелем вже на фізичному рівні, де основну увагу він приділяє взаємозв'язку часу і руху. Аристотель показує, що час немислимо, не існує без руху, але воно не є і сам рух.
У такій моделі часу реалізована так звана реляційна концепція. Виміряти час з цих позицій і вибрати одиниці його вимірювання можна тільки за допомогою будь-якого періодичного руху, але, для того щоб отримана величина була універсальною, необхідно використовувати рух з максимальною швидкістю. У сучасній фізиці це швидкість світла, в античної та середньовічної філософії - швидкість руху небесної сфери.
Простір для Аристотеля виступає в ролі якогось відношення предметів матеріального світу, воно розуміється як об'єктивна категорія, як властивість природних речей.
У системі Аристотеля були положення, які багато в чому визначили розвиток науки аж до теперішнього часу. Мова йде про логічне вченні Аристотеля на основі якого були розроблені перші наукові теорії, зокрема геометрія Евкліда.
В геометрії Евкліда поряд з визначеннями і аксіомами зустрічаються і постулати, що властиво більше фізики, ніж арифметиці. У постулатах сформульовані ті завдання, які вважалися вирішеними. У такому підході представлена модель теорії, яка працює і сьогодні: аксіоматична система і емпіричний базис зв'язуються операційних правил. Геометрія Евкліда є, таким чином, першою логічною системою понять, котрі тлумачать поведінку якихось природних об'єктів. Величезною заслугою Евкліда є вибір в якості об'єктів теорії твердого тіла і світлових променів.
Г. Галілей розкрив неспроможність арістотелівської картини світу, як в емпіричному, так і в теоретико-логічному плані. За допомогою телескопа він наочно показав, наскільки глибокі були революційні уявлення М. Коперника, який розвинув геліоцентричну модель світу.
Галілей, Декарт і Ньютон розглядали різні поєднання концепцій простору і інерції: у Галілея визнається порожній простір і круговий Инерциальное рух, Декарт дійшов до ідеї прямолінійного инерциального руху, але заперечував порожній простір, і тільки Ньютон об'єднав порожній простір і прямолінійний Инерциальное рух.
В обгрунтуванні класичної механіки велику роль грали введені І. Ньютоном поняття абсолютного простору і абсолютного часу. Ці поняття лежать в основі субстанціональної концепції простору і часу, відповідно до якої матерія, абсолютний простір і абсолютний час - три незалежні один від одного субстанції, початку світу.
Абсолютна простір - це чисте і нерухоме вмістище тіл, абсолютна рівномірність подій. Ньютон вважав, що цілком можливо припустити існування світу: є тільки одне абсолютне простір, і немає ні матерії, ні абсолютного часу; або ж є існування світу, в якому є простір і час, але немає матерії; або існує світ, в якому є тільки час, але немає ні простору, ні матерії. На думку Ньютона, абсолютний простір і абсолютний час - це реальні фізичні характеристики світу, але вони не дані безпосередньо органам почуттів, і їх властивості можуть бути осягнуті лише в абстракції. І можливо лише в майбутньому фізика зуміє знайти реальні системи, відповідні абсолютного простору і абсолютного часу. У своїй же повсякденної дійсності людина має справу з відносними рухами, пов'язуючи системи відліку з тими чи іншими конкретними тілами, тобто має справу з відносним простором і відносним часом,
Фізики тривалий час повністю дотримувалися концепції Ньютона, повторювали його визначення понять абсолютного простору і часу. Тільки деякі філософи критикували поняття абсолютного простору і абсолютного часу. Так Г. В. Лейбніц, "вічний опонент" Ньютона, виступив з критикою цієї концепції і відстоював принципи реляційної теорії простору і часу, вважаючи "простір, так само як і час, чимось відносним: простір - порядком існувань, а час - порядком послідовностей Бо простір ... позначає порядок одночасних речей, оскільки вони існують спільно, не торкаючись їх специфічного способу буття "(Лейбніц Г. Листування з Кларком. - М., 1982. С. 441.).
Однак у XVIII ст. критика концепції Ньютона і філософська розробка реляційної теорії простору і часу не зробили істотного впливу на фізику. Натуралісти продовжували користуватися уявленнями Ньютона про абсолютне просторі і часі, розрізняючи між собою лише визнанням або невизнанням наявності порожнього простору.
Проблема простору - особлива проблема, яка об'єднує фізику і геометрію. Довгий час мовчазно передбачалося, що властивості фізичного простору є властивостями евклідового простору. Для багатьох це було само собою зрозуміла істина. "Здоровий глузд" був філософськи втілений І. Кантом в його поглядах на простір і час як незмінні "форми чуттєвого споглядання". З цього погляду слід було, що ті уявлення про простір і час, що виражені в геометрії Евкліда і механіки Ньютона, взагалі є єдино можливими.
Вперше по-новому питання про властивості простору був поставлений у зв'язку з відкриттям неевклідової геометрії. Безуспішність спроб ряду вчених багатьох поколінь довести п'ятий постулат Евкліда привела до думки про його недовідності, разом з тим і про можливість побудови геометрії, заснованої на інших постулатах. Одним з перших прийшов до цієї думки К. Ф. Гаусс, який ще на початку XIX ст. почав міркувати над питанням про можливість створення іншої, неевклідової, геометрії. Гаус, висловив думку, що уявлення про властивості простору не є апріорними, мають дослідне походження. Однак він не побажав втягуватися в гостру дискусію і приховував від сучасників свої ідеї про можливість неевклідових геометрій.
Батьківщиною неевклідових геометрій стала Росія. У 1826 р. на засіданні фізико-математичного факультету Казанського університету М. І. Лобачевський зробив повідомлення про відкриття ним неевклідової геометрії, а в 1829 р. опублікував роботу "Початки геометрії", в якій показав, що можна побудувати несуперечливу геометрію, відмінну від всім відомою і здавалася єдино можливою геометрії Евкліда (У 1832 р. угорський математик Я. Больяй опублікував роботу, в якій (незалежно від Лобачевського) також розвинув основні ідеї неевклідової геометрії). При цьому Лобачевський вважав, що питання про те, законам який геометрії підпорядковується реальний простір - евклідової або неевклідової геометрії - має вирішити досвід, і перш за все астрономічні спостереження. Він вважав, що властивості простору визначаються властивостями матерії та її руху, і вважав цілком можливим, що "деякі сили в природі слідують одній, інші своєї особливої геометрії" (Н. І. Лобачевський. Почала геометрії. - М., 1949. Т. 2. С. 159.), а питання про вибір тієї чи іншої геометрії повинен вирішувати астрономічний досвід.
Через майже 40 років після робіт Лобачевського, в 1867 р. була опублікована робота Б. Рімана "Про гіпотези, що лежать в основі геометрії". Спираючись на ідею про можливість геометрії, відмінної від евклідової, Ріман підійшов до цього питання з дещо інших позицій, ніж Лобачевський. З точки зору Рімана, питання про те, чи є геометрія нашого фізичного простору евклідової, що відповідає його нульової кривизни, або ця кривизна не дорівнює нулю, повинен вирішити експеримент. При цьому він допускає, що властивості простору повинні залежати від матеріальних тіл і процесів, які в ньому відбуваються.
Крім того, Ріман висловив нове розуміння нескінченності простору. На його думку, простір потрібно визнати необмеженим; однак якщо воно може мати позитивну постійну кривизну, то воно вже не нескінченно, подібно до того, як поверхня сфери, хоча, і не обмежена, тим не менш, її розміри не є нескінченними. Так зароджувалося уявлення про розмежування нескінченності і безмежності простору (і часу).
Ідеї неевклідових геометрій спочатку мали дуже мало прихильників, бо суперечили "здоровому глузду" і усталеним протягом багатьох століть поглядам. Перелом настав лише в другій половині XIX ст. Остаточні сумніви у логічної правильності неевклідової геометрії Лобачевського були розвіяні у роботах італійського математика Е. Бельтрамі, який, розвиваючи ідеї К. Гауса у сфері диференціальної геометрії для вирішення завдань картографії, показав, що на поверхнях постійної негативної кривизни (псевдосферою) здійснюється саме неевклідова геометрія. Інтерес до робіт Лобачевського і Рімана знову ожив і викликав численні дослідження в області неевклідових геометрій і підстав геометрії.
Розвиток теорії неевклідових просторів призвело в свою чергу до задачі побудови механіки в таких просторах: не суперечать неевклидова геометрії принципам механіки? Якщо механіку неможливо побудувати в неевклідовий просторі, то значить реальне неевклідової простір неможливо. Однак дослідження показали, що механіка може бути побудована і в неевклідовий просторі.
І ті не менш поява неевклідових геометрій, а потім "неевклідової механіки" на перших порах не зробило впливу на фізику. У класичній фізиці простір залишалося евклідовим, і більшість фізиків не бачили ніякої необхідності розглядати фізичні явища в неевклідовий просторі.
2. Розвиток фізичних уявлень про простір і час
в історії природознавства
У другій половині XIX ст. фізики все частіше стали аналізувати фундаментальні підстави класичної механіки. Перш за все це стосувалося понять простору і часу в їх ньютонівської трактуванні. Були зроблені спроби надати поняттям абсолютного простору і абсолютної системи відліку нового змісту замість того, яке їм надав ще Ньютон. Так, в 70-і рр.. XIX ст. було введено поняття а-тіла, як такого тіла у Всесвіті, яке можна було б вважати нерухомим і прийняти його в силу цього за початок абсолютної системи відліку. Деякі фізики пропонували в зв'язку з цим прийняти за а-тіло центр ваги всіх тіл у Всесвіті, вважаючи, що цей центр ваги можна цілком вважати знаходяться в абсолютному спокої.
Разом з тим поруч фізиків висловлювалася і протилежна думка, що саме поняття абсолютного прямолінійного і рівномірного руху, як руху щодо нікого абсолютного простору, позбавлене будь-якого наукового змісту, як і поняття абсолютної системи відліку. Замість поняття абсолютної системи відліку вони пропонували більш загальне поняття інерціальної системи відліку (координат), не пов'язане з поняттям абсолютного простору. З цього випливало, що поняття абсолютної системи координат також стає беззмістовним. Інакше кажучи, всі системи, пов'язані з вільними тілами, що не перебувають під впливом будь-яких інших тіл, рівноправні. Підкреслимо, що інерціальні системи - це системи, які рухаються прямолінійно і рівномірно відносно один одного.
Перехід від однієї інерціальної системи до іншої здійснюється у відповідності з перетвореннями Галілея. Саме перетворення Галілея і характеризують в класичній механіці закономірності переходу від однієї інерціальної системи відліку до іншої.
Перетворення Галілея протягом кількох століть покладалися як самі собою зрозумілими і не потребують в силу цього в будь-якому обгрунтуванні. Але час показав, що це не так.
В кінці XIX ст. з різкою критикою ньютонівського уявлення про абсолютну просторі виступив німецький фізик і філософ Е. Мах. В основі уявлень Маха лежало переконання в тому, що "рух може бути рівномірним щодо іншого руху. Питання, чи рівномірно рух сам по собі, не має ніякого сенсу" (У зв'язку з цим Мах розглядав системи Птолемея і Коперника як рівноправні, вважаючи останню більш кращою з-за простоти. - Е. Мах. Механіка. - СПб., 1909. С. 187.).
З точки зору Маха, всякий рух відносно простору не має ніякого сенсу, про рух можна говорити тільки по відношенню до тіл, а значить, всі величини, що визначають стан руху, є відносними. Отже, і прискорення теж відносна величина. До того ж досвід не може дати відомостей про абсолютну просторі. Він звинуватив Ньютона у відступі від принципу, згідно з яким у теорію повинні вводитися тільки величини, безпосередньо виводяться з досвіду.
Правда, Мах занадто широко трактував відносини природознавства і філософії. І від критики недоліків класичної механіки, від невизнання абсолютного простору Ньютона він взагалі перейшов до невизнання об'єктивного існування простору, розглядаючи його як "добре впорядковані системи рядів відчуттів".
Однак, незважаючи на суб'єктивно-ідеалістичний підхід до проблеми відносності руху, у повідомленнях Маха були дуже плідні ідеї, які так чи інакше не могли не сприяти появі наукової ідеології, що приводить до загальної теорії відносності. Мова йде тут про так званому принципі Маха, згідно з яким інерціальні сили слід розглядати як дію загальної маси Всесвіту. Цей принцип згодом справив значний вплив і на А. Ейнштейна.
До нових ідей про природу простору і часу підштовхували фізиків і результати математичних досліджень, відкриття неевклідових геометрій. Так, згідно з ідеєю англійського математика В. Кліффорда, висловленої в 70-і роки 19-го століття, багато фізичних законів можуть бути пояснені тим, що окремі області простору підпорядковуються неевклідової геометрії. Більш того, він вважав, що кривизна простору може змінюватися з часом, а фізику можна представити як деяку геометрію (В. Кліффорд. Про просторової теорії матерії - Альберт Ейнштейн і теорія гравітації. - М., 1979. С. 36.). Тут можна підкреслити, що Кліффорд належить до ряду нечисленних у XIX ст. провісників ейнштейнівської теорії гравітації.
Після того, як фізики прийшли до висновку про хвильову природу світла, виникло поняття "ефіру" - середовища в якій світло поширюється. Кожна частка ефіру могла бути представлена як джерело вторинних хвиль, і можна було пояснити величезну швидкість світла величезної твердістю і пружністю частинок ефіру. Іншими словами ефір можна було вважати свого роду матеріалізацією ньютонівського абсолютного простору. Але це йшло врозріз з основними положеннями доктрини Ньютона про простір.
Справжня революція у фізиці почалася з відкриття Ремер кінцівки швидкості поширення світла, яка виявилася рівною приблизно 300000 км / с. У 1728 році Бредрі відкрив явище зоряної аберації. На основі цих відкриттів було встановлено, що швидкість світла не залежить від руху джерела і приймача світла. О. Френель вважав, що ефір може частково захоплюватися рухомими тілами, однак досвід А. Майкельсона (1881г.) повністю це спростував.
Таким чином, виникла незрозуміла неузгодженість висловлюваних у науці кончини: оптичні явища все гірше зводилися до механіки.
Але остаточно механистическую картину світу підірвало відкриття Фарадея - Максвелла: світло виявився різновидом електромагнітних хвиль. Численні експериментальні закони знайшли відображення в системі рівнянь Максвелла, які описують принципово нові закономірності.
Так виникла електромагнітна теорія матерії. Фізики прийшли до висновку про існування дискретних елементарних об'єктів у рамках електромагнітної картини світу (електронів).
Таким чином, до рубежу Х1Х-ХХ століть розвиток фізики призвело до усвідомлення протиріч і несумісності трьох принципових підстав класичної механіки:
1. Швидкість світла в порожньому просторі завжди постійна, незалежно від руху джерела або приймача світла.
2. У двох системах координат, що рухаються прямолінійно і рівномірно один щодо одного, всі закони природи суворо однакові, і немає ніякого засобу виявити абсолютний прямолінійний і рівномірний рух (принцип відносності).
3. Координати та швидкості перетворюються від однієї інерціальної системи до іншої згідно класичним перетворенням Галілея.
Було ясно, що ці три положення не можуть бути логічно об'єднані один з одним, оскільки вони фізично несумісні.
Внутрішньою логікою свого розвитку фізика підводилася до необхідності знайти нестандартний новий шлях у вирішенні фундаментальних протиріч в її принципових підставах. Цей шлях і був знайдений великим фізиком XX ст. А. Ейнштейном (1879 - 1955).
3. Проблема простору і часу
в спеціальній теорії відносності А. Ейнштейна.
У вересні 1905р. " появилась работа Эйнштейна "К электродинамике движущихся тел".
в німецькому журналі "Annalen der Physik" з'явилася робота Ейнштейна "До електродинаміки рухомих тіл". Ейнштейн сформулював основні положення спеціальної теорії відносності, яка пояснювала і негативний результат досвіду Майкельсона - Морлі, і сенс перетворень Лоренца, і, крім того, містила новий погляд на простір і час.Він побачив, що за перетвореннями Галілея криється певне уявлення про просторово-часових співвідношеннях, яке не відповідає фізичному досвіду і реальним просторово-тимчасовим співвідношенням речей. Таким найбільш слабкою ланкою принципових підстав класичної механіки було уявлення про абсолютну одночасності подій. Цим поданням, не усвідомлюючи його складної природи, не експліціруя, і користувалася класична механіка.
Появі статті Ейнштейна "До електродинаміки рухомих тіл", в якій вперше були викладені основи теорії відносності. передувало, за словами самого автора, 7-10 років наполегливих роздумів над проблемою впливу руху тіл на електромагнітні явища. Перш за все, Ейнштейн прийшов до твердого переконання про загальність принципу відносності, тобто до висновку, що і відносно електромагнітних явищ, а не тільки механічних, всі інерціальні системи координат абсолютно рівноправні. Одночасно з принципом відносності, Ейнштейну здавалося ясним і існування інваріантності швидкості світла у всіх інерціальних системах відліку. У своїх спогадах він пише, що ще в 1896р. у нього "виникло питання: якщо б можна було погнатися за пучком зі швидкістю світла, то мали б ми перед собою не залежне від часу хвильове поле? Таке все-таки здається неможливим!" (А. Ейнштейн. Роботи з теорії відносності. - М., 1965. Т.!. С. 310-311.).
Як же можна поєднати ці два принципи? Одночасне їх дію здається неможливим.
Проте з цього парадоксального становища Ейнштейн знаходить вихід, аналізуючи поняття одночасності. Такий аналіз підводить його до висновку про відносний характер цього поняття. В усвідомленні відносності одночасності полягає цвях всієї теорії відносності, висновки якої, у свою чергу, призводять до необхідності перегляду понять простору і часу - основоположних понять всього природознавства.
У класичній фізиці завжди вважали, що можна просто говорити про абсолютну одночасності подій відразу у всіх точках простору. Ейнштейн переконливо показав невірність цього подання.
Нове розуміння одночасності, усвідомлення її відносності приводить до необхідності визнання відносності розмірів тіл. Щоб виміряти довжину тіла, потрібно відзначити його межі на масштабі одночасно. Однак що одночасно для нерухомого спостерігача, вже не одночасно для рухомого, тому й довжина тіла, виміряна різними спостерігачами, які рухаються відносно один одного з різними швидкостями, повинна бути різна.
На наступному етапі становлення спеціальної теорії відносності цим загальним ідейним міркуванням Ейнштейн надає математичну форму і, зокрема, виводить формули перетворення координат і часу - "перетворення Лоренца". Але у Ейнштейна ці перетворення вже мають інший зміст. Одне і те ж тіло має різну "справжню" довжину, якщо воно рухається з різною швидкістю відносно масштабу, за допомогою якого ця довжина вимірюється. Те ж саме відноситься і до часу. Проміжок часу, протягом якого триває якийсь процес, різний, якщо вимірювати його рухаються з різною швидкістю годинами. У теорії Ейнштейна розміри тіл і проміжки часу втрачають абсолютний характер, який їм приписували раніше, і набувають сенсу відносних величин, що залежать від відносного руху тіл і інструментів, за допомогою яких здійснювалося їх вимір. Вони набувають такої ж сенс, який мають вже відомі відносні величини, такі, як, наприклад, швидкість, траєкторія і т. п.
Таким чином, Ейнштейн приходить до висновку про необхідність зміни просторово-часових уявлень, які вироблені класичної фізикою.
Створення спеціальної теорії відносності (СТО) було якісно новим кроком у розвитку фізичного пізнання. СТО відрізняється від класичної механіки тим, що спостерігач із засобами спостереження органічно входить в фізичний опис релятивістських явищ.
Класична механіка і СТО формулюють закономірності фізичних явищ тільки в інерційних системах відліку. Разом з тим, ні класична механіка, ні СТО не дають коштів для реального виділення таких інерціальних систем. Виходило так, що закони фізики справедливі лише для деякого досить вузького класу систем координат (інерціальних). Цілком закономірно виникла проблема, як поширити закони фізики і на неінерційній системи. Після створення СТО Ейнштейн почав замислюватися над поширенням принципу відносності на випадок неінерційній систем. Виникає питання: на якому шляху можна здійснити цю ідею? Можливість реалізації цієї ідеї Ейнштейн побачив на шляху узагальнення принципу відносності руху.
4. Проблема простору і часу
в загальній теорії відносності А. Ейнштейна
Однією з причин створення загальної теорії відносності був намір Ейнштейна позбавити фізику від необхідності введення інерційних систем, як основоположних систем відліку.
Створення нової теорії почалося з перегляду концепції простору і часу в польовий доктрині Фарадея - Максвелла і в спеціальній теорії відносності. Ейнштейн акцентував увагу на одному важливому пункті, який залишався раніше незачепленим.
Мова йде про наступному положенні спеціальної теорії відносності, згідно з яким двом обраним до матеріальних точок спочиваючого тіла завжди відповідає певний відрізок певної довжини, незалежно як від положення і орієнтації тіла. так і від часу, а двом зазначеним показниками стрілки годин, що спочивають щодо деякої системи координат, завжди відповідає інтервал часу певної величини, незалежно від місця і часу.
Спеціальна теорія відносності не зачіпала проблему впливу матерії на структуру простору-часу, а в загальній теорії Ейнштейн вже безпосередньо звернувся до органічної взаємозв'язку матерії, руху, простору і часу.
Ейнштейн виходив з відомого факту про рівність інертної і важкої мас. Він побачив у цій рівності вихідний пункт, на базі якого можна пояснити загадку гравітації. Проаналізувавши досвід Етвеша, Ейнштейн узагальнив його результат у принцип еквівалентності: "фізично неможливо відрізнити дію однорідного гравітаційного поля і поля, породженого рівноприскореним рухом" (В. М. Найдиш. Концепції сучасного природознавства. - М., 2000. С. 262.).
Принцип еквівалентності носить локальний характер і, взагалі кажучи, не входить в структуру загальної теорії відносності, але він допоміг сформулювати основні принципи, на яких базується нова теорія. З'явилися гіпотези про геометричній природі гравітації, про взаємозв'язок геометрії простору-часу і матерії.
Крім них Ейнштейн висунув ще ряд математичних гіпотез, без яких неможливо було б вивести гравітаційні рівняння: простір чотиривимірному, його структура визначається симетричним метричним тензором, рівняння повинні бути інваріантними щодо групи перетворень координат.
Головний сенс загальної теорії відносності, отже, полягає в тому, що простір і час існують не як особливі окремі від матерії сутності, а як форми існування самої матерії.
Що стосується Ейнштейна, то він про це сказав так: "Суть така: раніше вважали, що якщо якимось дивом всі матеріальні речі зникли б раптом, то простір і час залишились би. Відповідно ж до теорії відносності разом з речами зникли б і простір і час "(А. Ейнштейн. Роботи з теорії відносності. - М., 1965. Т. 1. С. 370.).
Теорія відносності передбачила і пояснила три общерелятівістскіх ефекту: були передбачені і обчислені конкретні значення зміщення перигелію Меркурія, було передбачене і виявлено відхилення світлових променів зірок при їхньому проходженні поблизу Сонця, був передбачений і виявлено ефект червоного гравітаційного зсуву частоти спектральних ліній.
Тут необхідно зазначити, що власне експериментальних підтверджень загальної теорії відносності, звичайно, надзвичайно мало. Це пояснюється тим, що, незважаючи на те, що згода теорії з досвідом досить гарна, однак чистота експериментів в більшості випадків порушується безліччю різних складних побічних впливів.
На основі ОТО були розвинені два фундаментальні напрямки сучасної фізики: геометризація гравітації і релятивістська космологія, так як саме з ними пов'язані подальший розвиток просторово-часових уявлень сучасної фізики.
Геометризація гравітації стала першим кроком на шляху створення єдиної теорії поля. Першу спробу геометризації поля зробив Г. Вейль, але вона була здійснена за рамками рімановской геометрії. У силу цієї обставини даний напрямок не привело до успіху.
Були також спроби ввести простору більш високої розмірності, ніж чим чотиривимірний просторово-тимчасове різноманіття Рімана: пятімерний, шестімерное і нескінченновимірної просторово-часові різноманіття. Однак таким шляхом вирішити проблему також не вдавалося.
На шляхах перегляду евклідової топології простору-часу була запропонована і ще одна сучасна єдина теорія поля - квантова геометродинаміки Дж. Уиллера. У цій теорії узагальнення уявлень про простір досягає дуже високого ступеня і вводиться поняття суперпространства, як арени дії геометродинаміки. При такому підході кожному взаємодії відповідає своя геометрія, і єдність цих теорій полягає в існуванні загального принципу, за яким породжуються дані геометрії і "розшаровуються" відповідні простору.
Основні постулати релятивістської космології можна представити у порівнянні з доейнштейновскімі уявленнями. Доейнштейновскіе уявлення про Всесвіт охарактеризується так: Всесвіт нескінченний і однорідна в просторі і стаціонарне в часі. Вони були запозичені з механіки Ньютона - це абсолютні простір і час, останнє за своїм характером Евклідів. Така модель здавалася дуже гармонійною і єдиною. Однак перші спроби додатки до цієї моделі фізичних законів та концепцій не призвели до природних висновків.
Вже класична космологія зажадала перегляду деяких фундаментальних положень, щоб подолати були на той час протиріччя в теорії. Таких положень в класичній космології було чотири: стаціонарність Всесвіту, її однорідність, її изотропность і евклідность простору. Проте в рамках класичної космології подолати суперечності не вдавалося.
Модель Всесвіту, яка слідувала з загальної теорії відносності, пов'язана з ревізією всіх фундаментальних положень класичної космології. Загальна теорія відносності ототожнила гравітацію з викривленням чотиривимірного простору-часу. Щоб побудувати працюючу щодо нескладну модель, вчені змушені обмежити загальний перегляд фундаментальних положень класичної космологоіі: загальна теорія відносності доповнюється космологічним постулатом однорідності та ізотропності Всесвіту.
Суворе виконання принципу ізотропності Всесвіту веде до визнання її однорідності. На основі цього постулату в релятивістську космологію вводиться поняття світового простору і часу. Але це не абсолютні простір і час Ньютона, які хоча теж були однорідними і ізотропними, проте в силу евклідового простору мали нульову кривизну. У застосуванні до неевклідову простору умови однорідності та ізотропності тягнуть сталість кривизни, і тут можливі три модифікації такого простору: з нульовою, негативною і позитивною кривизною.
Можливість для простору і часу мати різні значення постійної кривизни підняли в космології питання, кінцева Всесвіт чи нескінченна. У класичній космології подібного питання не виникало, оскільки евклідового простору і часу однозначно обумовлювала її нескінченність. Однак у релятивістської космології можливий і варіант кінцевого Всесвіту - це відповідає простору позитивної кривизни.
Всесвіт Ейнштейна являє собою тривимірну сферу - замкнутий у собі неевклідової тривимірний простір. Воно є кінцевим, хоча і безмежним. Всесвіт Ейнштейна кінцева у просторі, але нескінченна в часі. Однак стаціонарність вступала у протиріччя із загальною теорією відносності. Всесвіт виявилася нестійкою і прагнула або розширитися, або стиснутися. Щоб усунути це протиріччя Ейнштейн ввів у рівняння теорії нову математичну величину, з допомогою якої у Всесвіті фіксувалися нові сили, пропорційні відстані, і їх можна було представити як сили тяжіння і відштовхування.
Подальший розвиток космології виявилося пов'язаним не з статичною моделлю Всесвіту. Вперше нестаціонарна модель була розвинена А.А. Фрідманом. Метричні властивості простору виявилися змінюються в часі. З'ясувалося, що Всесвіт розширюється. Підтвердження цього було виявлено в 1929 році Е. Хабблом, який спостерігав червоне зміщення спектру. Виявилося, що швидкість розбігання галактик зростає, причому, цей процес продовжується і в даний час.
У зв'язку з цим перед наукою постають дві важливі проблеми: проблема розширення простору і проблема існування початку часу. Сформувалася гіпотеза, згідно з якою так називання "розбігання галактик" є певний позначення саме нестаціонарності просторової метрики. Таким чином, не галактики розлітаються в незмінному просторі, а розширюється сам простір.
Друга з позначених тут проблем пов'язана з поданням про початок часу. = 0), когда произошёл так называемый "Большой взрыв".
Витоки історії Всесвіту відносяться до моменту часу (t = 0), коли відбувся так званий "Великий вибух". Відповідно до цієї точки зору, Всесвіт у минулому перебувала в особливому стані, який відповідає початку часу, поняття часу до цього початку позбавлено фізичного, так і будь-якого іншого смислу.У релятивістської космології була показана відносність кінцівки і нескінченності часу в різних системах відліку. Це положення особливо чітко відбилося в уявленнях про "чорні діри". Мова йде про одне з найбільш проблемних явищ сучасної космології - так званому гравітаційному колапсі.
Як "початок" Всесвіту, так і процеси в "чорні діри" пов'язані зі надщільним станом матерії. = 2 GM / c , где G - гравитационная постоянная, М - масса).
Такою властивістю володіють космічні тіла після перетинання сфери Шварцшильда (умовна сфера з радіусом r = 2 GM / c, де G - гравітаційна постійна, М - маса). Незалежно від того, в якому стані тіло знаходиться, далі воно стрімко переходить в надщільного стан у процесі зазначеного гравітаційного колапсу. Після цього, наприклад, від зірки неможливо отримати ніякої інформації, тому що ніщо не може вирватися з цієї сфери в навколишній простір - час: зірка "потухає" для віддаленого спостерігача, і в просторі утворюється "чорна діра".Між колапсуючої зіркою і спостерігачем у звичайному світі пролягає нескінченність, тому що така зірка знаходиться за нескінченністю у часі. Таким чином, виявилося, що простір-час у загальній теорії відносності містить сингулярності, наявність яких змушує переглянути концепцію просторово - часового континууму як якогось дифференцируемого "гладкого" різноманіття.
→0), когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д.
Виникає проблема, пов'язана з поданням про кінцеву стадію гравітаційного колапсу, коли вся маса зірки спресовується в точку (r → 0), коли нескінченна щільність матерії, нескінченна кривизна простору і т.д.Але саме ці обставини не можуть не викликати обгрунтованих сумнівів. Так, Дж. Уїллер вважає, що в заключній стадії гравітаційного колапсу взагалі не існує простору - часу. А С. Хокінг вважає, що сингулярність є таке місце, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору - часу (С. Хокінг. Від великого вибуху до чорних дір . Коротка історія часу. - М., 1990. С. 79.). Саме таких уявлень і дотримується в даний час більшість сучасних космологів.
Висновок
Отже, виходячи з вищесказаного, за часів Ньютона вважалося, що властивості простору і часу абсолютні, тобто не залежать від наявності матеріальних тіл, що протікають процесів і спостерігачів. Сучасна фізика показала обмеженість таких уявлень: геометричні властивості простору і часу тісно пов'язані з наявністю і розташуванням масивних тіл, залежать від характеру процесів, що протікають і навіть від стану спостерігача. У зв'язку з цим зараз прийнято говорити, що властивості простору і часу відносні.
Пов'язані з цим проблеми розробляються багатьма натуралістами. Вже отримані перспективні наукові результати і ведуться подальші плідні пошуки. Ще не раз нам доведеться ламати свої усталені уявлення про простір і час, але одне завжди залишиться незмінним: простір і час об'єктивні, вони являють собою загальні форми існування матерії і так само, як матерія, якісно нескінченні.
Література:
Основна
** Аскін Я.Ф. Проблема часу: Її фізичне тлумачення. М., 1986.
** Ахундов М.Д. Простір і час у фізичному пізнанні. М., 1982.
** Потьомкін В.К., Сіманов А.Л. Простір у структурі світу. Новосибірськ, 1990.
** Хокінг С. Від великого вибуху до чорних дір: Коротка історія часу. М., 1990.
* Ейнштейн А. Зібрання наукових праць в чотирьох томах. Том I. Роботи з теорії відносності 1905-1920, М., 1965.
Додаткова
* Концепції сучасного природознавства / Под ред. С.І. Самигіна. Ростов н / Д, 2001.
** Кращі реферати. Концепції сучасного природознавства. Ростов н / Д, 2002.
* Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. М., 2002.
** Скопин А.Ю. Концепції сучасного природознавства. М., 2003.
* Соломатін В.А. Історія та концепції сучасного природознавства. М., 2002.