Пространство и время в свете теорий относительности А. Эйнштейна

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………….3

1. Пространство и время в специальной теории относительности….4
2. Пространство и время в общей теории относительности…………7
3. Физический смысл идей А. Эйнштейна…………………………….9

Заключение…………………………………………………….……….11

Список использованной литературы………………………………….12

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Важнейшей задачей современного естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении  и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно  связаны с изменением длин и длительности, т.е. пространственно-временных характеристик  объектов. Выделение и фиксация во времени части пространства дает состояние объекта. Упорядоченная  последовательность состояний объекта  составляет процесс его развития (жизни, существования) во времени. Философия  определяет пространство и время  как всеобщие формы существования  материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее. Для их описания в естествознании исторически формировались различные  представления о пространстве и  времени.

Целью написания контрольной работы является: изучение пространства и времени в свете теории относительности А. Эйнштейна.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить понимание пространства  и времени в специальной теории  относительности.

2. Изложить сущность понимания  пространства и времени в общей  теории относительности.

3. Объяснить физический  смысл (новизну) идей А.Эйнштейна.

Современное понимание свойств  пространства-времени исходит из знаменитых открытий величайшего физика Альберта Эйнштейна (1879-1955).

 

 

 

1. Пространство и время в специальной теории относительности

 

Специальная теория относительности, созданная в 1905г. А.Эйнштейном, стала  результатом обобщения и синтеза  классической механики Галилея-Ньютона  и электродинамики Максвелла-Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без  учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким  образом, оказывается ее частным случаем.

Если бы были найдены абсолютные пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы равноправны. Создатель  теории относительности сформулировал  обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и  на электромагнитные явления, в том  числе и на движение света. Этот принцип  гласит, что никакими физическими  опытами (механическими, электромагнитными  и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя  и равномерного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо  для распространения электромагнитных волн, света. Для всех физических процессов  скорость света обладает свойством  бесконечной скорости. Для того чтобы  сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически  невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат  был подтвержден измерениями, которые  проводились над электронами, Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости равной скорости света.

Скорость света является предельной скоростью распространения  материальных воздействий. Она не может  складываться ни с какой скоростью  и для всех инерциальных систем оказывается  постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю.

И в самом деле, скорость звука всего лишь 340м/с. Это неподвижность  по сравнению со скоростью света. И этих двух принципов – постоянства  скорости света и расширенного принципа относительности Галилея математически  следуют все положения специальной  теории относительности (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так, длина тела в движущейся системе  будет наименьшей по отношению к  покоящейся.

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса –  наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе  по отношению к неподвижной, в  которой этот процесс будет более  быстрым.

Специальная теория относительности, которая объединяет пространство и  время в единый четырехмерный  пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются  в направлении движения при приближении  скорости тел к скорости света  в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в сопутствующей  системе отсчета, то есть двигаясь параллельно  и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при  измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно  таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в  инерциальных системах отсчета протекают  одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты  можно заметить и изменить.

Эффекты специальной теории относительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы специальной  теории относительности переходят  в формулы классической механики.

Говоря об относительности  пространственных и временных величин  в разных системах отсчета, следует  помнить, что в теории относительности  мы наблюдаем неразрывную связь  относительного и абсолютного как  одно из проявлений физической симметрии. Поскольку скорость света является абсолютной величиной, то и связь  пространства и времени обнаруживается как некоторая абсолютная величина. Она выражается в так называемом пространственно-временном интервале.

В каждой системе длина  тела и временной промежуток будут  различны, а это величина останется  неизменной. Увеличение длины будет

соответствовать уменьшение промежутка времени в данной системе, и наоборот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Пространство и время в общей теории относительности

 

Общая теория относительности  или теория тяготения - физическая теория пространства-времени и тяготения, основана на экспериментальном принципе эквивалентности гравитационной и инерционной масс и предположении о линейности связи между массой и вызываемыми ею гравитационными эффектами.

Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен  принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности  инвариантность законов природы  в любых системах отсчета, как  инерциальных, так и неинерциальных. Правда, принцип эквивалентности  справедлив только при строго локальных  наблюдениях.

В рамках общей теории относительности являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты вызываются не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а являются проявлениями деформации самого пространства-времени, вызываемых локальным присутствием массы энергии. В общей теории относительности, как и в других метрических теориях, гравитация – не силовое взаимодействие.

Эйнштейн предложил, что  гравитация возникает вследствие искривления  пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени  могут сближаться.

Общая теория относительности  раскрыла новые стороны зависимости  пространственно-временных отношений  от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под  неевклидовы геометрии и связала  кривизну пространства, и отступление  его метрики от евклидовой с действием  гравитационных полей, создаваемых  массами тел.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности  – полная остановка времени в  очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее  тяготения. Замедление времени проявляется  в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем  больше увеличивается длина волны  и уменьшается его частота. При  определенных условиях длина волны  может устремится к бесконечности, а ее частота - к нулю.

В общей теории относительности  Эйнштейн доказал, что структура  пространства-времени определяется распределением масс материи. Когда  корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна  в апреле 1921г., в чем суть теории относительности, он ответил: « Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли  бы вдруг, то пространство и время  остались бы. Согласно теории относительности  вместе с вещами исчезли бы и пространство и время».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Физический смысл идей А. Эйнштейна

 

Предвосхищая положения  теории относительности Эйнштейна  о не разрывной связи пространств  и время с материей, Лейбниц  считал, что пространство и время  не могут рассматриваться в «отвлечении» от самих вещей. «Мгновение в отрыве от вещей ничто, - писал он, - и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей».

Однако данные представления  Лейбница не оказали заметного влияния  на развитие физики, так как реляционная  концепция пространства и времени  была недостаточна для того, чтобы  служить основой принципа инерции  и законов движения, обоснованных в классической механики Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

В физике XIX века появилось новое понятие – «поле», что по словам Эйнштейна явилось «самым важным достижением со времени Ньютона». Открытия существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблем поля.

Уже позднее в современной  науке появились такие понятия  как: биологическое, психологическое  и социальное пространства и времени.

Биологическое пространство и время характеризуют особенности  пространственно-временных параметров органической материи: биологическое  бытие человеческого индивида, смену  видов растительных и животных организмов.

Психологическое пространство и время характеризуют основные перцептивные структуры пространство и времени, связанные с восприятиями. Перцептивные поля – поля вкусовые, визуальные и т.д. Выявлены неоднородность перцептивного пространства, его асимметрия, а так же эффект обратимости времени в бессознательных и транспсихических процессах. Существует так же синхронизм психических процессов, состоящий в одновременном параллельном проявлении идентичных психических переживаний у двоих или нескольких личностей.

Социальное пространство и время характеризуют особенности  протяженности и пространственности социальных объектов. Неоднородность структурных связей в социальных системах определяется распределением социальных групп и величиной их социального потенциала, а также локальными метрическими свойствами объектов. Коммуникативные и интерактивные взаимодействия социальных структур фиксируют особенности параметров времени в ретрансляции социального опыта и одновременность в протекании социальных событий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Работы Эйнштейна наряду с громадным значением в физике имеют большое философское значение. Теория относительности связана  с такими понятиями как материя, пространство, время и движение, а они являются одними из фундаментальных  философских понятий. Диалектический материализм нашел аргументацию своим представлениям о пространстве и времени в теории Эйнштейна.

Теория относительности  показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении  их характеристик в зависимости  от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали  рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление  о пространственно-временном континууме.

Направленность времени, связанная с эволюцией систем, в физических картинах мира следует  из второго начала термодинамики.

В заключении так же можно  сделать следующие выводы:

1.Пространство и время являются самостоятельными по отношению к движущейся материи и не зависят друг от друга, подчиняются лишь собственным закономерностям.