ћир глазами »саака Ќьютона: пространство и врем€

 

ћир глазами »саака Ќьютона: пространство и врем€

ѕон€ти€ пространства и времени €вл€ютс€ философскими категори€ми и не определ€ютс€ в естествознании. ƒл€ естественных наук важно уметь определ€ть их численные характеристики - рассто€ни€ между объектами и длительности процессов, а так же - описывать их свойства, поддающиес€ экспериментальному изучению.

»змерение рассто€ний.

ѕроблема ограниченности ¬селенной. »змерить рассто€ние между двум€ объектами - значит сравнить его с эталонным. ƒо недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, геометрическа€ форма которого слабо измен€лась при изменении внешних условий. ¬ качестве единицы длины был выбран метр, отрезок, сравнимый с характерными размерами человеческого тела. ќчевидно, что в большинстве случаев эталон не укладывалс€ целое число раз на длине измер€емого отрезка. ќставша€с€ часть измер€лась при помощи 1/10, 1/100 и т. эталона. ¬ принципе считалось, что такую процедуру можно продолжать до бесконечности, в результате чего получалось бы точное значение длины, выражаемое бесконечной дес€тичной дробью, т.е. вещественным числом. (¬ математике пон€тие вещественного числа возникло как результат обобщени€ описанной процедуры измерени€ длин отрезков).

Ќа практике многократное деление исходного эталона было невозможно. ƒл€ повышени€ точности измерени€ и измерени€ малых отрезков потребовалс€ эталон существенно меньших размеров, в качестве которого по насто€щее врем€ используютс€ сто€чие электромагнитные волны оптического диапозона.

¬ природе существуют объекты, значительно меньшие длин волн оптического излучени€ (молекулы, атомы, элементарные частицы). ѕри их измерени€х помимо неудобства сравнени€ с эталоном больших размеров возникает более принципиальна€ проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны электромагнитного излучени€, перестают его отражать и, следовательно, оказываютс€ невидимыми. ƒл€ оценки размеров таких мелких объектов свет замен€ют потоком каких-либо элементарных частиц (электронов, нейтронов и т.д.). ¬еличина объектов оцениваетс€ по т.н. сечени€м рассе€ни€, определ€емым отношением числа частиц, изменивших направлени€ своего движени€, к плотности падающего потока. Ќаименьшим рассто€нием, известным в насто€щее врем€, €вл€етс€ характерный размер элементарной частицы (м). √оворить о меньших размерах, по-видимому, бессмысленно.

ѕри измерении рассто€ний, значительно превышающих 1м, пользоватьс€ эталоном длины вновь оказываетс€ неудобно. ƒл€ измерени€ рассто€ний, сравнимых с размерами «емли, примен€ют методы триангул€ции (определение большей стороны треугольника по точно измеренной меньшей стороне и двум углам) и радиолокации (измерение времени задержки отраженного сигнала, скорость распространени€ которого известна, относительно момента передачи), ƒл€ много больших рассто€ний (до удаленных звезд и соседних галактик) указанные методы оказываютс€ вновь неприменимы (отраженный радиосигнал оказываетс€ слишком слабым, углы треугольника отличаютс€ от †на слишком малую величину). Ќа столь больших рассто€ни€х наблюдаемыми оказываютс€ только самосвет€щиес€ объекты (звезды и галактики), рассто€ни€ до них оцениваетс€ исход€ из наблюдаемой €ркости.

–азмеры наблюдаемой части вселенной имеют размеры пор€дка м. ¬опрос о том, имеют ли смысл большие рассто€ни€ сводитс€ к проблемам конечности и ограниченности ¬селенной, до сих пор окончательно не решенным космологией. —о времен Ќьютона считалось, что окружающий нас мир однороден и не может иметь границ (в противном случае возникал вопрос о их физической природе и о том, Учто находитс€ по другую сторонуФ). ќднако, предположение о бесконечности ¬селенной, совместно с естественным допущением о равномерном распределении звезд по объему и беспреп€тственном распространении света в пространстве, приводил к заведомо абсурдному выводу о бесконечно €рком свечении ночного неба (т.н. парадокс ночного неба). ѕозднее пришло понимание того, что пон€ти€ бесконечности и неограниченности не эквивалентны друг другу (напр. шар не имеет границ, но площадь его конечна).

»змерение интервалов времени. ¬озраст ¬селенной.

»змерить длительность процесса - значит сравнить его с эталонным. ¬ качестве последнего удобно выбрать какой-либо периодически повтор€ющийс€ процесс (суточное вращение «емли, биение человеческого сердца, колебание ма€тника, движение электрона вокруг €дра атома). ƒолгое врем€ в качестве эталонного процесса использовались колебани€ ма€тника. «а единицу измерени€ времени выбрали секунду (интервал, примерно равный периоду сокращени€ сердечной мышцы человека).

ƒл€ измерени€ значительно более коротких времен возникла необходимость в новых эталонах. ¬ их роли выступили колебани€ кристаллический решетки (кварцевые часы имеют характерный период колебаний в 1нс= †с) и движение электронов в атоме (атомные часы с характерным временем †с ). ≈ще меньшие времена можно измер€ть, сравнива€ их со временем прохождени€ света через заданный промежуток. по-видимому, наименьшим осмысленным интервалом €вл€етс€ врем€ прохождени€ света через минимально возможное рассто€ние (с ).

ѕри помощи ма€тниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосход€щих 1с (человеческа€ жизнь длитс€ около с), но и здесь возможности метода не беспредельны. ¬ремена, сравнимые с возрастом «емли (ок. с) возможно оценивать лишь по полураспаду атомов радиоактивных элементов. ћаксимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому €вл€етс€ возраст ¬селенной, оцениваемый периодом в †с (началом существовани€ нашего мира прин€то считать Ѕольшой взрыв, произошедший в весьма малой области пространства, в результате которого возник наблюдаемый сейчас мир, представл€ющий собой совокупность объектов, разлетающихс€ от начальной точки; событи€, произошедшие до Ѕольшого взрыва никак не вли€ют на насто€щее и, следовательно, могут не рассматриватьс€).

¬ классическом естествознании, занимающимс€ главным образом описанием макроскопических (сравнимых с размерами человеческого тела) объектов, предполагаетс€, что процедура измерени€ основных пространственно-временных характеристик (рассто€ний и длительностей) в принципе может быть выполнена сколь угодно точно и при этом может практически не вли€ть на измер€емый объект и происход€щие с ним процессы.

√еометрические свойства пространства и времени. √еометрические свойства пространства изучаютс€ геометрией, традиционно базирующейс€ на системе аксиом ≈вклида. ¬ отличие от математики, дл€ естествознани€ небезынтересен вопрос, соответствуют ли эти аксиомы реальным свойствам нашего пространства (напр. вполне мыслима ситуаци€, в которой сумма углов треугольника может отличатьс€ от : на рис. 2_1 изображен треугольник, все углы которого пр€мые). ќпыт показывает, что дл€ наблюдател€, движущегос€ без ускорени€ вдали от массивных тел, аксиоматика ≈вклида выполн€етс€ с хорошей точностью.

¬ажной характеристикой материальных систем €вл€етс€ их число степеней свободы (минимальной количество чисел, необходимое дл€ исчерпывающего описани€ положени€ объекта в пространстве). „ем большим числом степеней свободы обладает объект, тем более трудоемко его описание. ¬озникает естественный вопрос о минимальном числе степеней свободы, которым может обладать объект в нашем мире. ќпыт показывает, что дл€ не взаимодействующих с другими объектами тел это число равно 3 (трем€ степен€ми свободы обладают, например, элементарные частицы с нулевым спином). ќб этом свойстве нашего пространства говор€т как о его трехмерности (иногда говор€т, что трехмерность означает возможность задани€ трех взаимно перпендикул€рных направлений в пространстве). „исло степеней свободы большинства реальных объектов может быть существенно большим (спортивный велосипед с хорошо зат€нутыми болтами и гайками обладает как минимум 18 степен€ми свободы), однако при решении многих практических задач Увнутренние степени свободыФ оказываютс€ несущественными (на финише велогонки положение педалей велосипеда лидера никем не регистрируетс€). „исло рассматриваемых степеней свободы можно существенно сократить вплоть до трех (при движении в пространстве), двух (при движении по поверхности) или одной (при движении вдоль заданной кривой). –еальное тело при этом по существу замен€етс€ моделью материальной точки (тело, размеры и форма которого в рассматриваемой ситуации несущественны).

ƒл€ задани€ временных характеристик процессов может понадобитьс€ несколько вещественных чисел (жизнь человека можно характеризовать, например, моментами его рождени€, свадьбы и смерти). ќднако существуют €влени€, дл€ исчерпывающего временного описани€ которых достаточно одного числа (напр. распад элементарной частицы, который не имеет длительности, поскольку не может быть разделен на какие-то промежуточные процессы). —уществование таких УэлементарныхФ процессов позвол€ет утверждать, что врем€ одномерно.

јналогично тому, как в пространственном описании вводилась модельное представление о материальной точке, при описании эволюции во времени можно ввести пон€тие мгновенного событи€, т.е. процесса, длительностью которого в рассматриваемой ситуации можно пренебречь (напр. удар м€ча о стену часто можно считать мгновенным, хот€ детальное рассмотрение показывает, что это весьма сложный и многоэтапный процесс).

ќтносительность свойств пространства и времени. ¬о времена Ќьютона считалось, что свойства пространства и времени абсолютны, т.е. не завис€т от наличи€ материальных тел, протекающих процессов и наблюдателей. —овременна€ физика показала ограниченность таких представлений: геометрические свойства пространства и времени тесно св€заны с наличием и расположением массивных тел, завис€т от характера протекающих процессов и даже от состо€ни€ наблюдател€. ¬ св€зи с этим сейчас прин€то говорить, что свойства пространства и времени относительны.

¬ классическом естествознании рассматриваютс€ макроскопические объекты и €влени€, происход€щие в существующих независимо от них и друг от друга пространстве и времени, нос€щих абсолютный характер.

—писок литературы

ƒл€ подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://study.online.ks.ua/



ћир глазами »саака Ќьютона: пространство и врем€ ѕон€ти€ пространства и времени €вл€ютс€ философскими категори€ми и не определ€ютс€ в естествознании. ƒл€ ес

Ѕольше работ по теме:

ѕредмет: »стори€ техники

“ип работы: –еферат

найти  

ѕќ»— 

Ќовости образовани€

 ќЌ“ј “Ќџ… EMAIL: MAIL@SKACHAT-REFERATY.RU

—качать реферат © 2018 | ѕользовательское соглашение

—качать      –еферат

ѕ–ќ‘≈——»ќЌјЋ№Ќјя ѕќћќў№ —“”ƒ≈Ќ“јћ