Какими свойствами обладает пространство и время
Пространство и время являются универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени.
Обычно выделяют всеобщие, общие и специфические свойства пространства и времени.
Всеобщие свойства пространства и времени: объективность и независимость от человеческого сознания; универсальность – проявляется на всех структурных уровнях материи; неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей; бесконечность – нет места, где пространство и время отсутствовали бы.
Общие свойства пространства: протяженность – существование и связь различных элементов; единство прерывности и непрерывности. Непрерывность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве. Прерывность проявляется в раздельном существовании материальных объектов. Их единство – это характер перемещений тел от точки к точке; трехмерность – пространство трех измерений.
Общие свойства времени:длительность – последовательность смены состояний; необратимость – однонаправленность от прошлого к будущему; неповторяемость – невозможность повторения прошлых событий; одномерность – линейная последовательность событий, связанных друг с другом.
Специфические свойства пространства:конкретные формы и размеры тел; наличие у них внутренней симметрии или асимметрии; изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верх, низ и др.). Неоднородность означает различные значения кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.
Специфические свойства времени:конкретная длительность существования систем; скорость протекания процессов.
В современной науке используется также понятие биологического и социального пространства и времени.
Специфическими пространственно-временными свойствами в биологических системах являются: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутриорганизменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг своей оси и сменой времен года.
Социальное пространство и время характеризуют особенности протяженности и пространственности социальных объектов.
Социальное время характеризует длительность, последователь-ность этапов материальной и духовной деятельности человека. Главным фактором, определяющим ход социального времени, является деятельность человека, направленная на преобразование среды и самого себя. Все известные единицы календарного времени – секунды, минуты, часы, дни – могут быть достаточно точно измерены.
Совсем другое дело – исчисление длительности социальных процессов – это эпоха, эра, сессия, сезон, семестр и т. п. Все они не могут быть не только определены, но не образуют соотношений между собой. Размышляет так и Плиний Старший, римский писатель и ученый, автор афоризма«Не считать надо дни, а взвешивать». Очевидно, что значимые для человека и общества характеристики длительности должны стать компонентами социального времени.
С социальным временем связано и личное время человека. Можно встретить два типа людей, которые по-разному относятся к своему личному времени: одни им вполне самостоятельно распоряжаются, другие не знают, как его провести, чем заполнить. Личностное время используется непосредственно при определении многих ценностей человеческой жизни и, прежде всего, его деятельности. Леонардо да Винчи считал удавшейся независимо от ее длительности всякую жизнь, прожитую хорошо и достойно.
Личностному времени присуще чувство ритма, так, например, в жизни каждого человека устанавливается определенная последовательность событий: детство, юность, получение образования, начало творческой деятельности, вступление в брак, рождение детей и т. д. Такая последовательность выражает ритмическую организацию индивидуальной жизни, но не всякая последовательность носит ритмический характер. Несовпадение важнейших этапов социальной зрелости человека с его календарным возрастом или общепринятым ритмом организации общественной жизни является проявлением аритмии личностного времени.
Необходимо отметить сложность и неоднозначность пространственно-временных отношений на уровне отдельного человека. Личностные время и пространство обусловлены особенностями восприятия самого человека. Именно с ними приходится соизмерять свои поступки, строить планы. Научный подход в этом вопросе необходим для более целостного видения мира.
Во всех перечисленных и других системах проявляются всеобщие свойства пространства и времени.
Выводы:
– Фундамент СТО составляют два постулата.
– СТО изменила представление о характере взаимодействий. Скорость передачи взаимодействия не может превышать скорость света в вакууме.
– Релятивистские эффекты пространства и времени не иллюзорны, а действительны.
– Согласно ОТО, тяготение – это не что иное, как искривленность пространственно-временного континуума.
Движением в механике называют изменения положения тела в пространстве с течением времени.
Пространство и время бессмысленно рассматривать в отдельности от материального мира.
Пространство отражает порядок сосуществования объектов мира. Время показывает последовательность перемены явлений. Нет процессов в природе, которые происходили бы вне времени и вне пространства.
Пространство и время являются формами существования материи. Пространство и время имеют тесную и неразрывную связь. Мир, в котором мы живем, является четырехмерным:
- Три измерения в нашем мире – относят к пространству.
- Одно измерения связывают со временем.
Относительность движения
Тела могут перемещаться в пространстве, то есть осуществлять механическое движение. Высказывание о том, что два разных события, произошедшие не одновременно, состоялись в одном месте, лишено смысла, до момента указания системы отсчета, в которой эти события рассмотрены.
Перемещение в пространстве обладает строго определённым содержанием, если указаны тела, по отношению к которым происходит движение рассматриваемого объекта.
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Любое движение относительно так формулируется одно из фундаментальных свойств природы.
В этой связи для описания перемещения тел в пространстве вводят понятие системы отсчета. Система отсчета включает:
- тело отсчета, с целью фиксирования положения исследуемого объекта;
- процесс, являющийся эталоном, для фиксирования времени. Эталонный процесс фиксации времени реализуют при помощи часов. Часы используют для того, чтобы отмечать временные моменты, которые отвечают положениям перемещающегося тела в некоторые моменты.
Определение 1
Тело отсчета, система координат, часы составляют систему отсчета.
Самым простым и часто применяемым примером системы координат, является прямоугольная декартова система координат. Декартова система координат составлена тройкой взаимно нормальных плоскостей, которые жестко связаны с телом отсчета.
Точку пересечения этих плоскостей называют началом координат, линии пересечения плоскостей дают координатные оси.
Координатами точки является тройка расстояний от начала координат до координатных плоскостей.
При решении задач применяют систему координат, которая позволяет максимально упростить процедуру работы задачей.
К наиболее востребованным системам координат относят:
- декартову систему координат;
- цилиндрическую систему координат;
- сферическую систему координат.
Определение 2
Количество независимых координат, которые однозначно определяют положения тела (или совокупности тел) в пространстве, носит название числа степеней свободы.
Абсолютность и относительность длин и промежутков времени
Нерелятивистская физика считает длины тел и промежутки времени абсолютными. В таком случае:
- Можно считать события одновременными не отмечая системы отсчета, где данные события рассматриваются.
- Стоит рассматривать длину тела, не обращая внимания на состояние его движения или покоя в системе отсчета.
Если исследуются медленные (в сравнении со скоростью света в вакууме) движения, то релятивистские эффекты можно не учитывать. Но существуют разделы физических исследований, где без учета данных эффектов не обойтись, например, ядерная физика.
В специальной теории относительности (СТО), которая была создана Эйнштейном, одновременность событий, разделенных в пространстве, является относительной. Это означает, что пара событий, происходящих одновременно в одной системе отсчета, могут быть не одновременными в другой системе отсчёта, перемещающейся по отношению к первой.
Длина тела в теории Эйнштейна, тоже является относительной, поскольку связана с системой, в которой происходит измерение. СТО показывает, что следует отметить разницу между длиной стержня, который находится в покое ($l_0$) и длиной стержня, движущегося относительно системы отсчета ($l$)
$l_0 ne l$.
Длины $l_0$ и $l$ равны в случае движений с небольшими скоростями.
Так, в общем случае следует считать, что промежутки времени и длины отрезков являются относительными.
Свойства пространства
Сформулируем свойства пространства, которые можно считать основными:
- Исследуемое нами пространство является однородным. Это означает, что в нем нет точек с разными свойствами. Если произвести параллельный перенос системы отсчета, то рассматриваемые в ней законы физики не будут изменяться.
- Пространство изотропно. В пространстве нет выделенных направлений. При повороте системы отсчета на произвольный угол законы природы не изменятся.
- Пространство обладает свойством непрерывности. Между даже самыми близкими точками пространства всегда имеется третья точка.
- В нашем мире пространство является трехмерным. Положение точки однозначно описывают три действительных числа (координаты).
Математической формулировкой свойств пространства является система понятий геометрии и их связей. Формирование «простейшей» эвклидовой геометрии было выполнено 2,5 тыс. лет тому назад. Следующий шаг в описании соотношения пространства и материальных тел сделан в неевклидовой геометрии. Лобачевский, например, считал, что пространство не существует отдельно от человека в том смысле, что в природе познается только движение. Все остальные понятия, в том числе геометрические – это порождение ума человека, взяты из свойств движения.
Свойства времени
К основным свойствам времени относят:
- Временную однородность. Если рассматривать два события, которые проходят при одинаковых условиях, но в разное время, то они будут происходить одинаково.
- Непрерывность времени означает то, что если имеются два момента времени, и они очень близки, то всегда между ними можно найти еще момент времени.
- В настоящее время считают, что время течет в одном направлении от настоящего в будущее.
Свойства пространства и времени являются определяющими в характере законов физики. Так, например, законы сохранения энергии и импульса основаны на симметрии времени, которая исходит из его однородности и симметрии пространства (основы однородность и изотропность пространства).
Основной второго начала термодинамики является временная необратимость.
До настоящего времени нет единой модели пространства и времени, применимой во всех областях естествознания. На каждом структурном уровне материи выявляются особенности пространственно-временных характеристик объектов. Поскольку пространство и время неотделимы от различных видов материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия.
При характеристике пространства и времени выделяют их общие свойства как формы бытия материальных объектов.
К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:
· объективность и независимость от сознания человека;
· неразрывная связь друг с другом и с движением материи;
· зависимость от структурных отношений и процессов развития в материальных системах;
Наряду с едиными характеристиками, которые в равной степени присущи как пространству, так и времени, им свойственны некоторые особенности, характеризующие их как различные, хотя и тесно связанные между собой, атрибуты материи.
Свойства пространства.
Сущностным свойством пространства является протяженность, понимаемая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.). Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы;
Трёхмерность пространства выражается в том, что для однозначного определения места точки в пространстве в фиксированный момент времени, необходимо и достаточно указать три ее координаты. В наиболее привычной прямоугольной декартовой системе координат это x,y,z — длина, ширина и высота; в сферической системе координат требуется указать радиус-вектор г и углы а и б; в цилиндрической системе — высоту h, радиус-вектор г и угол а.
Трёхмерность пространства является фундаментальным свойством Вселенной. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются именно в пространстве трех измерений. В одномерном (линия) или двухмерном (плоскость) пространстве не могут происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов. В настоящее время не известно каких-либо форм движения и взаимодействия, которые требовали бы четырех- или пятимерного пространства, и возможность таких процессов не вытекает ни из каких установленных законов природы.
Однородность пространства выражается в том, что не существует выделенных в каком-либо отношении точек пространства. Все точки в пространстве равноправны, поэтому не существует преимущественной точки отсчёта, любую можно принять в качестве начальной.
Изотропность пространства означает, что все направления в пространстве равнозначны. Пространство называется изотропным, если поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению результатов измерений. Физические явления в системе не должны изменяться при ее повороте в пространстве.
Обратимость пространства проявляется в том, что в каждую точку пространства можно снова и снова возвращаться.
Свойства времени.
Сущностным свойством времени является его длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие состояния. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, т.е. существуют конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход
Время одномерно: для определения времени достаточно задать одну координату. Если бы время имело не одно, а два, три измерения и больше, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с нашим миром другие миры-двойники, в которых те же события разворачиваются в той же последовательности. Но для таких предположений нет оснований.
Однородность времени означает, что любые явления, которые происходят в одних и тех же условиях, но в разные периоды времени, протекают одинаково.
Анизотропность и необратимость времени.
В отличие от пространства для времени характерна анизотропность – наличие только одного выделенного направления или так называемой «стрелы времени»: все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему.
Необратимость – свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему, невозможность вернуться в прошлое.
В природе мы постоянно сталкиваемся с необратимыми процессами.
Необратимость эволюции называется в биологии законом Л. Долло по имени бельгийского палеонтолога, сформулировавшего его: организмы, возвращаясь в процессе эволюции в среду обитания далеких предков, не могут стать абсолютно похожими на них.
Излучение энергии Солнцем и звездами являются однонаправленными процессами.
Распады неустойчивых частиц демонстрируют необратимость изменений в микромире.
Какие причины лежат в основе анизотропности и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире.
В современном естествознании существует несколько научных подходов к объяснению этого свойства времени. Выделим некоторые из них.
Направление времени задается вторым началом термодинамики, согласно которому энтропия, то есть мера беспорядка в системе, в замкнутой системе всегда возрастает.
Необратимость времени связана с процессами эволюции Вселенной, начиная с момента её возникновения, что подтверждается фактом её расширения.
Необратимость времени есть следствие принципа причинности, так как причина должна предшествовать следствию.
Общие свойства пространства и времени проявляются на всех структурных уровнях организации материи. У некоторых классов материальных объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени.
Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии пространства и времени. Ещё в 1918 Э. Нётер (1882 —1935) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени — закон сохранения энергии, изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Таким образом, пространство и время взаимосвязаны с важнейшими законами сохранения.
По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются естественнонаучные представления о пространстве и времени. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей пространства и времени можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.
Вопросы для самоконтроля.
1. Какие концепции пространства и времени были разработаны в физике?
2. В чём суть субстанциальной концепции пространства и времени?
3. Как понимаются пространство и время в реляционной концепции?
4. Как понимается время в причинной концепции?
5. Что понималось под абсолютным пространством и абсолютным временем в механике Ньютона? Каковы причины их введения?
6. Как представлялись основные свойства пространства и времени в классической физике?
7. Какие противоречия в классической науке потребовали пересмотра понятий пространства и времени?
8. Как был осмыслен отрицательный результат опыта Майкельсона?
9. Какие постулаты лежат в основе СТО?
10. Какие новые представления на пространство и время вводятся в СТО?
11. В чём заключается связь метрики пространства и времени с гравитацией в ОТО?
12. Каковы основные выводы ОТО?
13. Какие постулаты лежат в основе причинной механики Козырева?
14. Какие физические свойства времени выделяются в причинной механике?
15. Каковы основные положения концепции биологического пространства-времени Вернадского?
16. Что представляет собой хронобиология и какие свойства времени выделяют в ней?
17. Каковы всеобщие свойства пространства и времени как форм бытия материальных объектов?
18. Выделите и сопоставьте общие свойства пространства и времени.
Литература.
Аксенов Г.П. В.И.Вернадский о природе времени и пространства. – М.: Либроком, 2012.
Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюции, перспективы. — М.: Наука, 1982.
Ацюковский В.А. Критический анализ основ теории относительности . — М.: Научный мир, 2012
Баженов Л.Б. Проблемы пространства-времени // История и философия науки. Под ред. В.В.Миронова. – М.: Гардарики, 2006.
Борн М. Эйнштейновская теория относительности. — М.: Мир, 1972.
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. — Москва: Наука, 1988.
Вернадский, В.И. Размышления натуралиста. В 2-х т. Пространство и время в неживой и живой природе. – М.: Наука, 1975. Т.1.
Казарян В.П. Понятие времени в структуре научного знания. — М.: Изд-во МГУ,1980.
Козырев Н. А. Избранные труды. — Ленинград: Изд-во Ленинград. ун-та, 1991.
Молчанов Ю.Б. Проблема времени в современной науке. — М.: Наука, 1990.
Тяпкин А.А. «Об истории возникновения теории относительности». — Дубна: ОИЯИ, 2004.
Хокинг С. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. СПб.: Амфора, 2001.
Уитроу Дж. Eстественная философия времени – М.: УРСС, 2003.
[1] См.: Физическая энциклопедия в 5-ти томах под ред. академика А.М.Прохорова. – М.: Советская энциклопедия. Т. 4.
[2] Ньютон И. Математические начала натуральной философии. // В кн.: Собрание трудов академика А. Н. Крылова. — М.- Л., Из-во АН СССР, 1936. С.30.
[3] Крылов А.Н. Указ. Соч. С.30.
[4] См.: Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Современные теории. 1900-1926 гг. – М.: Изд-во Института компьютерных исследований, 2004г.; Тяпкин А.А. «Об истории возникновения теории относительности». — Дубна: ОИЯИ, 2004; Логунов А.А. К работам Анри Пуанкаре «О динамике электрона» т – М .: Изд — во МГУ, 1988.
[5] Холтон Дж. Тематический анализ науки. — М.: Прогресс, 1981. С.88.
[6] См.: Эфирный ветер. Сб. статей. 2-е издание.//Под ред. В.А.Ацюковского. М.: Энергоатомиздат, 2011.
[7] Цит. по: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. — М.: Наука, 1989, стр. 161.
[8] См.: Баженов Л.Б. Проблемы пространства-времени // История и философия науки. Под ред. В.В.Миронова. – М.: Гардарики, 2006. С.107-108.
[9] Минковский Г. Пространство-время. Спб., «Физика» 1911. С. 26.
[10] См.: Эфирный ветер. Сб. статей. 2-е издание.//Под ред. В. А. Ацюковского. М.: Энергоатомиздат, 2011.
[11] Эйнштейн А. Собрание научных трудов. — М.: 1965-1967. Т. I I. С. 744.
[12] См.: Ацюковский В.А. Критический анализ основ теории относительности . — М .: Научный мир, 2012; Бриллюэн Л. Новый взгляд на теорию относительности – М: Наука, 1972; Казарян В.П. Понятие времени в структуре научного знания. М., Изд-во МГУ,1980.
[13] См.: Козырев Н. А. Избранные труды. — Ленинград: Изд-во Ленинград. ун-та, 1991. С.365
[14] См.: https://filosfak.ru/biblio/барашенков-в-эти-странные-опыты-козыр/
[15] Вернадский В. И. Проблемы биогеохимии. /Труды Биогеохимической лаборатории. Т. XVI. М.: Наука. 1980. С. 262.
[16] Вернадский В.И. Указ. Соч. С.274.
[17]См.: Аксенов Г.П. В.И.Вернадский о природе времени и пространства. – М.: Либроком, 2012.
[18] Вернадский В.И. Указ. Соч. С.276.
[19] Уитроу Дж., Естественная философия времени. – М.: Наука, 1964, с.82.
[20] См.: «Биологические часы». – М.: Мир, 1964.
[21] См.: Уитроу Дж. Ука. Соч. С. 81-82.
[22] Уитроу Дж. Указ. Соч. С.85.
[23] Уитроу Дж. Указ. Соч. С.89.
Date: 2015-09-03; view: 2083; Нарушение авторских прав