Контрольная работа по дисциплине "Концепции современного естествознания"

Прежде всего, пространственные расстояния можно определять, измеряя время, необходимое свету или вообще любым электромагнитным волнам для прохождения измеряемого расстояния. Это известный метод радиолокации. Очень важно при этом, что скорость любых электромагнитных волн совсем не зависит ни от движения их источника, ни от движения тела, отражавшего эти волны, и всегда равна c (c – скорость света в вакууме, приблизительно равная 300000 км/сек). Поэтому расстояние получается просто умножением постоянной скорости c на время прохождения электромагнитного сигнала. До теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и думали, что так просто поступать при измерении расстояний нельзя.

Конечно, можно поступить и наоборот, то есть измерять время световым сигналом, пробегающим известное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясь между двумя зеркалами, разнесенными на три метра друг от друга, то каждый пробег будет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько раз пробежал этот своеобразный световой маятник меду зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.

Важное проявление единства пространства и времени состоит в том, что с ростом скорости тела течение времени на нем замедляется в точном соответствии с уменьшением его продольных (по направлению движения) размеров. Благодаря такому точному соответствию из двух величии – расстояния в пространстве между какими-либо двумя событиями и промежутка времени, их разделяющего, простым расчетом можно получить величину, которая постоянна для всех наблюдателей, как бы они не двигались, и никак не зависит от скорости любых «лабораторий». Эта величина играет роль расстояния в четырехмерном пространстве-времени. Пространство-время и есть то «объединение» пространства и времени, о котором говорил Г.Минковский.

Вообразить такое формальное присоединение времени к пространству, пожалуй, нетрудно. Гораздо сложнее наглядно представить себе четырехмерный мир. Удивляться трудности не приходится. Когда мы в школе рисуем плоские геометрические фигуры на листе бумаги, то обычно не испытываем никаких затруднений в изображении этих фигур; они двумерны (имеют только длину и ширину).

Гораздо труднее воображать трехмерные фигуры в пространстве – пирамиды, конусы, секущие их плоскости и т.д. Что касается воображения четырехмерных фигур, то иногда это очень трудно даже для специалистов, всю жизнь работающих с теорией относительности.

Так, известный английский физик-теоретик, крупнейший специалист в теории относительности Стивен Хокинг говорит: «Невозможно вообразить четырехмерное пространство. Я сам с трудом представляю фигуры в трехмерном пространстве!». Поэтому человеку, испытывающему трудность с представлением четырехмерия, огорчаться не надо. Но специалисты с успехом используют понятие пространства-времени. Так в пространстве-времени можно линией изображать движение какого-либо тела. Если по горизонтальной оси (оси абсцисс) изобразить расстояние в пространстве по одному направлению, а по вертикальной (оси ординат) – отложить время. Для каждого момента времени отмечаем положение тела. Если оно покоится в нашей «лаборатории», то есть его расположение не меняется, то это на нашем графике изобразится вертикальной линией. Если тело движется с постоянной скоростью – мы получим наклонную прямую. При произвольных движениях получается кривая линия. Такая линия получила название мировой линии. В общем случае надо вообразить, что тело может двигаться не только по одному направлению, но и по другим двум в пространстве тоже. Его мировая линия будет изображать эволюцию тела в четырехмерном пространстве-времени.

Осуществлена попытка показать, что пространство и время выступают как бы совершенно равноправно. Их значения просто отложены по разным осям. Но все же между пространством и временем есть существенная разница: в пространстве можно находится неподвижным, во времени – нельзя. Мировая линия покоящегося тела изображается вертикально. Тело как бы увлекается потоком времени вверх, даже если оно не движется в пространстве. И так обстоит дело со всеми телами; их мировые линии не могут остановиться, оборваться в какой-то момент времени, ведь время не останавливается. Пока тело существует, непрерывно продолжается и его мировая линия.

Как мы видим, ничего мистического в представлениях физиков о четырехмерном пространстве-времени нет. А.Эйнштейн как-то заметил: «Мистический трепет охватывает нематематика, когда он слышит о «четырехмерном», – чувство, подобное чувству, внушаемому театральным приведением. И тем не менее нет ничего банальнее фразы, что мир, обитаемый нами, есть четырехмерная пространственно-временная непрерывность».

Конечно, к новому понятию надо привыкнуть. Однако независимо от способности к наглядным представлениям физики-теоретики используют понятие о четырехмерном мире как рабочий инструмент для своих расчетов, оперируя мировыми линиями тел, вычисляя их длину, точки пересечения и так далее. Они развивают в этом четырехмерном мире четырехмерную геометрию, подобную геометрии Евклида. В честь Г.Минковского четырехмерный мир называют пространством-временем Минковского.

4. Геометрии Евклида, Лобачевского и Римана. Геометрии физического мира.
 

Геометрия Евклида

Первым систематическим изложением геометрии, дошедшим до нашего времени, являются “Начала” – сочинения александрийского математика Евклида. В “Началах” был развит аксиоматический подход к построению геометрии, который состоит в том, что сначала формулируются основные положения (аксиомы), а затем на их основе посредством рассуждений доказываются другие утверждения (теоремы). Изложение геометрии Евклидом долгое время служило недосягаемым образцом точности, безукоризненности и строгости. Только в начале 20 века математики смогли улучшить логические основания геометрии.

Основные постулаты Евклида:

Из каждой точки ко всякой другой точке можно провести прямую;

Каждую ограниченную прямую можно продолжить неопределённо;

Из любого центра можно описать окружность любого радиуса;

Все прямые углы равны;

Через точку не лежащую на данной прямой можно провести прямую, параллельную данной и только одну. Формулировка у Евклида: “И если прямая, падающая на две прямые, образует внутренние и по одну сторону углы, меньше двух прямых, то продолженные эти прямые неограниченно встретятся с той стороны, где углы меньше двух прямых”.

На базе этих постулатов шло успешное развитие геометрии, но в то время как другие постулаты считались совершенно очевидными, очевидность пятого постулата оспаривалась. Много веков усилия большого числа ученых были направлены на доказательство пятого постулата. Это объяснялось тем, что число аксиом стремились свести к минимуму. Ученые думали, что пятый постулат можно доказать как теорему, опираясь на остальные. Многие геометры пытались обойти его, заменяя пятый постулат другим, казавшимся более очевидным. На этом пути было сформулировано много положений, но все они были эквивалентны пятому постулату Евклида.

Например:

1.                 сумма углов треугольника равна 180°,

2.                 во всех треугольниках сумма углов одна и та же,

3.                 через любую точку внутри угла можно провести секущую, пересекающую обе стороны угла,

4.                 существуют два подобных, но не равных треугольника,

5.                 теорема Пифагора,

6.                 для всякого треугольника существует описанная окружность и др.

Геометрия Лобачевского

Все многовековые попытки доказать пятый постулат сводились к тому, что авторы пользовались предложениями, эквивалентными самому постулату. Постепенно доказательства становились все изощреннее, в них всё глубже прятались малозаметные эквиваленты пятого постулата. В конце 18 века у некоторых геометров возникла мысль о невозможности доказать пятый постулат. Допустив, что пятый постулат неверен, математики пытались прийти к логическому противоречию. Они приходили к утверждениям, противоречащим нашей геометрической интуиции, но логического противоречия не получалось. А может быть на этом пути вообще не прийти к противоречию? Не может ли быть так, что заменив пятый постулат его отрицанием, мы придём к новой неевклидовой геометрии, которая во многом не согласуется с нашими привычными наглядными представлениями, но, тем не менее не содержит никаких логических противоречий? Эту простую, но очень дерзкую мысль математики не могли выстрадать в течение двух тысячелетий после появления “Начал” Евклида.

Восемнадцатый век принес решение загадки пятого постулата. Первым, кто допустил возможность существования неевклидовой геометрии, был К.Ф. Гаусс. Это было обнаружено лишь после смерти ученого, когда стали изучать его архивы. Гениальный Гаусс, к мнениям которого все прислушивались, не рискнул опубликовать свои результаты по неевклидовой геометрии, опасаясь быть непонятым и втянутым в полемику. Известный математик Ф. Бойяи, всю жизнь работавший над теорией параллельных, считал, что решение этой проблемы выше сил человеческих, и хотел оградить сына от неудач и разочарований, но Янош Бойяи не внял предостережениям отца и независимо от Гаусса пришел к тем же идеям. К этому открытию независимо от Гаусса пришел и наш соотечественник профессор Казанского университета Н.И. Лобачевский. Он построил новую геометрию, откинув постулат Евклида, заменив его другим, прямо противоположным по смыслу: “Через точку А вне прямой а в плоскости, определяемой точкой А и прямой а, проходит по крайней мере две прямые с и в не имеющие общей точки с прямой а”. Лобачевский не получил противоречия. Отсюда следует, что таких прямых может быть бесконечное количество. Доказывая много десятков теорем, не обнаруживая логических противоречий, Лобачевскому пришла в голову догадка о непротиворечивости такой геометрии, он назвал её воображаемой. В геометрии Лобачевского сохраняются все теоремы, которые в евклидовой геометрии можно доказать без использования пятого постулата. Например: вертикальные углы равны; углы при основании равнобедренного треугольника равны; из данной точки можно опустить на данную прямую только один перпендикуляр и др.

Однако теоремы, где применяется аксиома параллельности, видоизменяются:

                   Теорема о сумме углов треугольника готовит первый “сюрприз”: в геометрии Лобачевского сумма углов любого треугольника меньше 180°. Разность между 180° и суммой углов треугольника положительна и называется дефектом (D) этого треугольника. Формула для площади треугольника S=k*D, то есть площадь связана с его дефектом. Самую большую площадь имеет треугольник с нулевыми углами, а его стороны имеют бесконечную длину «см. рисунок 1».

Рис. 1 Треугольник с нулевыми углами

                   Два неравных равносторонних треугольника имеют неравные углы.

                   В геометрии Лобачевского не существует подобных фигур.

                   Если углы одного треугольника равны соответственно углам другого треугольника, то эти треугольники равны.

                   Геометрическое место точек, находящихся на данном расстоянии от данной прямой и лежащих по одну сторону есть кривая линия, которая называется эквидистантой.

Возможные расположения двух прямых на плоскости Лобачевского: две несовпадающие прямые либо пересекаются в одной точке, либо параллельны, либо являются расходящимися « см. рисунок 2». В заключение отметим, что Лобачевский с исчерпывающей полнотой развил все разделы своей неевклидовой геометрии.

Рис. 2 Прямые

Возникает убеждённость, что эта теория, на самом деле непротиворечива, но надо было получить доказательство непротиворечивости, то есть построить модель. Построение такой модели выпало на долю математиков следующего поколения. Например, в 1868 году итальянский математик Э. Бельтрами исследовал вогнутую поверхность, называемую псевдосферой и доказал, что на этой поверхности действует геометрия Лобачевского. Также были предложены другие модели Ф. Клейном, А. Пуанкаре и др. «см. рисунок 3».

Рис. 3 Модель Бельтрами и гиперболическая модель в двухмерном пространстве

Геометрия Римана

Через некоторое время идеи Лобачевского были приняты математиками, и следующим этапом развития геометрии стала эллиптическая геометрия Римана. Риман исходил из того, что через точку, не лежащую на данной прямой, вообще нельзя провести прямую, не пересекающую данную. В геометрии Римана:

две прямые всегда пересекаются, параллельных прямых совсем нет;

сумма углов прямолинейного треугольника больше 180°;

прямая имеет конечную длину, плоскость – конечную площадь и др.

Частным случаем эллиптической геометрии Римана является сферическая геометрия Римана или геометрия не сфере «см. рисунок 4».

Рис. 4 Сферическая геометрия Римана

Физическое применение нелинейных геометрий.

Геометрии Евклида, Лобачевского и Римана являются в свою очередь частными случаями общей геометрии Римана для многомерных искривлённых пространств.

Современники Лобачевского, потом и Римана отказывались принимать новую геометрию. Но в начале 20 века, как гром среди ясного неба Эйнштейн создаёт теорию относительности, частным случаем которой является теория тяготения Ньютона. Оказалось, что взаимосвязь пространства и времени, описываемая в теории относительности, имеет непосредственное отношение к геометрии Лобачевского. Например, в расчетах современных синхрофазотронов используются формулы геометрии Лобачевского.

Следствием теории относительности явился в частности тот факт, что наше как мы думали трёхмерное евклидово пространство на самом деле таковым не является. А живём мы в четырёхмерном искривлённом пространстве-времени, которое описывается общей геометрией Римана. Тяготение на самом деле результат искривления пространства вблизи массивных тел. Следствием этого является замедление времени вблизи тяжелых тел, кратчайшее расстояние между точками не прямая, а некоторая кривая и др.