Физическая природа времени гравитации и материи

Реферат  на  тему:

Физическая  природа  Времени, гравитации  и  материи.

                                                                  Выполнил:  Богачков  М.Н.

Томск-2003 г.

СОДЕРЖАНИЕ.

     Содержание                                                                                   2

     Введение                                                                                        3

1.     Развитие  пространственно  временных  представлений.        4

2.     Пространство  и  время  в  теории  относительности.              7

3.     Пространство  и  время  в  физике  микромира.                        8

4.     Природа  времени.                                                                      15

5.      Природа  гравитации.                                                                18

6.     Строение  атома.                                                                         19

7.     Заключение.                                                                                22

8.     Приложение.  Чем  живут  звёзды?                                         23

9.     Используемая  литература.                                                       28

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  натур философии  анализируя   затем  процесс  развития  пространственно  временных  представлений  в  плоть  до  наших  дней.

1. РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННЫХ

ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

     В  идеалистической  доктрине  античности  развиваемой  такими  философами  как  Зенон  и  затем  Платон,  наряду  с  первичностью  сознания  перед  материей,  когда  сознание  определяет  бытиё . На   рассуждениях   о  соревновании  Гермеса  с  черепахой.  Когда  Гермес  не  может  догнать  черепаху , пробегая  большее  расстояние  чем  уползающая от  него  черепаха, впервые  вводятся  понятие  о  причинно  следственной  связи  дискретной  материи  во  времени.

     Атомистическая  доктрина   была   развита   материалистами  

Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой  доктрины, всё  природное  многообразие  состоит  из  мельчайших  частичек  материи  (  атомов  ),  которые   двигаются,   сталкиваются   и   сочетаются в  пустом пространстве. Атомы ( бытие ) и  пустота (

небытие ) являются первоначалами мира. Атомы не возникают и  не

уничтожаются,  их  вечность   проистекает   из   безначальности  

времени.  Атомы  двигаются   в   пустоте   бесконечное   время.   

Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.

Характеризуя   систему  Демокрита  как  теорию структурных

уровней  материи  -  физического  (  атомы   и   пустота  )   и 

математического  (   амеры   ),   мы   сталкиваемся   с   двумя  

пространствами:   непрерывное   физическое   пространство   как  

вместилище и математическое  пространство, основанное на амерах

как масштабных единицах протяжения материи.

     В соответствии  с  атомистической  концепцией пространства 

Демокрит  решал  вопросы  о  природе  времени  и  движения.   В

дальнейшем   они   были  развиты  Эпикуром  в  систему.  Эпикур 

рассматривал   свойства   механического   движения   исходя  из  

дискретного   характера   пространства  и  времени.   Например, 

свойство изотахии заключается в том, что  все  атомы движутся с 

одинаковой скоростью. На  математическом уровне  суть  изотахии

состоит в том, что в процессе перемещения  атомы  проходят один

"атом" пространства за один "атом" времени.

     Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа

пространства  и  времени.

     Аристотель    начинает    анализ   с   общего   вопроса  о 

существовании времени,  затем  трансформирует  его  в  вопрос о 

существовании  делимого  времени.  Дальнейший  анализ   времени

ведётся Аристотелем  уже на  физическом  уровне,  где  основное 

внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения.  Аристотель

показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но

оно не есть и само движение.

     В  такой модели времени реализована реляционная концепция.

Измерить время  и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого  периодического  движения, но, для того чтобы полученная  величина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальной  скоростью.  В  современной  физике  это  скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения  небесной сферы.

     Пространство  для  Аристотеля выступает в качестве некоего

отношения  предметов  материального  мира,  оно  понимается как

объективная категория, как свойство природных вещей.

     Механика  Аристотеля   функционировала  лишь  в его модели

мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но

это   лишь   один   из   уровней   космоса    Аристотеля.   Его 

космологическая модель функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого совпадал с центром  Земли.  Космос  был разделен на  земной и небесный  уровни. Земной  состоит  из четырёх стихий -  земли, воды, воздуха  и огня; небесный  -  из эфирных  тел,  пребывающих  в  бесконечном  круговом  движении.

Эта  модель просуществовала около двух тысячелетий. 

     Однако  в  системе   Аристотеля  были  и другие положения,

которые оказались более  жизнеспособными и во многом определили развитие  науки  вплоть  до  настоящего  времени.  Речь  идёт о логическом   учении   Аристотеля   на   основе  которого   были  разработаны  первые  научные  теории,  в  частности   геометрия Евклида.

Понятия   пространства  и  времени  вводятся  Ньютоном  на

начальном  уровне  изложения, а  затем получают своё физическое 

содержание   с помощью аксиом через законы движения. Однако они  предшествуют  аксиомам, так  как служат условием для реализации  аксиом:  законы  движения  классической   механики  справедливы  в  инерциальных  системах  отсчёта,  которые  определяются  как  системы,  движущиеся   инерциально  по  отношению к абсолютному пространству и  времени. У  Ньютона абсолютное  пространство и время являются ареной движения физических объектов.

После того, как физики пришли к  выводу о волновой природе

света   возникло   понятие   эфира  -   среды  в  которой  свет  

распространяется.  Каждая частица эфира могла быть представлена

как источник вторичных  волн,  и можно было объяснить  огромную

скорость света огромной  твёрдостью и упругостью  частиц эфира. 

Иными  словами    эфир   был    материализацией   Ньютоновского   

абсолютного  пространства.  Но  это  шло  в  разрез с основными

положениями доктрины Ньютона о пространстве.

     Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось,

что  скорость света  конечна и равна  примерно 300'000 км/с.  В

1728  году  Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе 

этих  открытий  было установлено, что скорость света не зависит 

от движения источника и/или приёмника.

     О.Френель  показал,  что   эфир  может частично увлекаться

движущимися  телами,   однако   опыт  А.Майкельсона  (1881  г.) 

полностью  это  опроверг. Таким  образом возникла  необъяснимая

несогласованность,  оптические  явления  всё  хуже  сводились к

механике.  Но  окончательно   механистическую    картину   мира  

подорвало    открытие   Фарадея - Максвелла:   свет    оказался   

разновидностью    электромагнитных     волн.     Многочисленные   

экспериментальные законы  нашли  отражение в системе  уравнений

Максвелла,     которые     описывают    принципиально     новые  

закономерности. Ареной этих законов  является всё пространство,

а не одни точки, в которых  находится  вещество или заряды, как 

это принимается для механических законов.

     Так возникла   электромагнитная  теория   материи.  Физики

пришли  к  выводу  о  существовании   дискретных   элементарных

объектов  в  рамках электромагнитной картины мира (электронов). 

Основные   достижения  в  области  исследования электрических и

оптических  явлений   связаны  с электронной теорией Г.Лоренца. 

Лоренц стоял на позиции  классической механики. Он нашёл выход,

который спасал  абсолютное  пространство  и время  классической

механики, а также объяснял  результат опыта Майкельсона, правда

ему пришлось отказаться  от  преобразований координат Галилея и 

ввести   свои   собственные,   основанные  на  неинвариантности 

времени.   t'=t-(vx/c¤),   где  v - скорость  движения  системы  

относительно  эфира, а  х - координата  той  точки в движущейся

системе, в которой производится  измерение времени. Время t' он

назвал "локальным временем". На основе этой теории виден эффект

изменения размеров тел  L2/L1=1+(v¤/2c¤). Сам  Лоренц  объяснил

это  опираясь  на  свою  электронную  теорию:  тела  испытывают

сокращение вследствие сплющивания электронов.

    Терия  Лоренца  исчерпала возможности классической физики.

Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической  физики, отказа от принятия каких - либо выделенных  систем  отсчёта,  отказа  от  абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного  пространства и времени. Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна.

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

                       АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА.

         2.1. Специальная теория относительности.

     В  теории  относительности Эйнштейна  вопрос о свойствах и

структуре  эфира трансформируется в вопрос о реальности  самого 

эфира.  Отрицательные   результаты   многих   экспериментов  по 

обнаружению  эфира  нашли  естественное   объяснение  в  теории

относительности - эфир не существует.  Отрицание  существования 

эфира  и  принятие   постулата  о  постоянстве  и  предельности

скорости света легли  в  основу теории относительности, которая 

выступает как синтез механики и электродинамики.

     Принцип  относительности  и  принцип  постоянства скорости 

света  позволили  Эйнштейну  перейти  от  теории Максвелла  для

покоящихся тел  к  непротиворечивой электродинамике  движущихся  тел.  Далее   Эйнштейн  рассматривает  относительность  длин  и промежутков  времени,  что приводит  его  к  выводу о  том, что  понятие   одновременности    лишено   смысла:   " Два  события,    одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не  воспринимаются   как   одновременные  при  рассмотрении  из  системы,   движущейся    относительно    данной ".    Возникает    необходимость развить теорию преобразования координат и времени от покоящейся  системы  к  системе, равномерно  и  прямолинейно  движущейся относительно  первой. Эйнштейн пришел к формулировке

преобразований Лоренца:

               x-vt                             t-vx/c¤

         x'=---------  , y'=y, z'=z, t'=----------,

            _1-v¤/c¤                     _1-v¤/c¤

где x, y, z, t - координаты в одной системе, x', y', z', t' - в

другой.

     Из  этих  преобразований  вытекает  отрицание неизменности

протяжённости  и  длительности,  величина  которых  зависит  от

движения системы отсчёта:

                      ________       dt0

                 l=l0_1-v¤/c¤,  dt=----------

                                   _         1-v¤/c¤

В  специальной теории относительности функционирует новый закон сложения   скоростей,   из   которого   вытекает невозможность превышения скорости света.

     Коренным  отличием  специальной  теории относительности от 

предшествующех   теорий   является  признание  пространства   и 

времени  в  качестве   внутренних  элементов  движения материи,

структура которых зависит  от природы самого движения, является

его   функцией.  В  подходе  Эйнштейна  преобразования  Лоренца

оказываются   связанными  с  новыми  свойствами  пространства и

времени: с  относительностью  длины  и временного промежутка, с 

равноправностью   пространства  и  времени,  с  инвариантностью

пространственно - временного интервала.

     Важный вклад в понятие "равноправность" внёс Г.Минковский.

Он  показал  органическую взаимосвязь  пространства и  времени,

которые    оказались    компонентами   единого   четырёхмерного 

континуума. Разделение на пространство и время не имеет смысла.

     Пространство и время в специальной  теории относительности

трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако было бы

ошибочным  представлять  пространственно  - временную структуру 

новой    теории    как    проявление   одной   лишь   концепции  

относительности.

3. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА.

         3.1. Пространственно-временные представления

              квантовой механики.

     Создание  Эйнштейном специальной теории относительности не

исчерпывает    возможности     взаимодействия     механики     и  

электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было

выявлено  противоречие  как  в  истолковании  экспериментальных

данных, так и в теоретической согласованности этих выводов. Это

повлекло за  собой рождение  квантовой механики.  Она  положила

начало  неклассической   физике,   открыла  дорогу  к  познанию 

микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией,  к  пониманию 

процессов в недрах звёзд и "начале" Вселенной.

Страницы: 1, 2, 3