Физическая природа времени гравитации и материи

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.

В конце XIX века физики начали исследовать, как

распределяется излучение по всему спектру частот. В тот период

физики задались также целью выяснить природу взаимосвязи

энергии излучения и температуры тела. М. Планк пытался решить

эту проблему с помощью методов классической электродинамики, но это не

привело к успеху. Попытка решить проблему с позиции

термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и

эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с

помощью интерполяции:

8 h

------v

c

р = ------------- , где

hv

exp(--) - 1

kT

v - частота излучения, Т - температура, k - постоянная

Больцмана.

Полученная Планком формула была очень содержательной,

кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h,

которую Планк назвал элементарным квантом действия.

Справедливость формулы Планка достигалась очень странным

для классической физики предположением: процесс излучения и

поглощения энергии является дискретным.

C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло

представление о карпускулярно - волновом дуализме. Реальная

природа света может быть представлена как диалектическое

единство волны и частиц.

Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было

предложено множество противоречащих друг другу моделей. Выход был найден

Н. Бором путём синтеза планетарной модели атома Резерфорда и квантовой

гипотезы. Он предположил, что атом может иметь ряд стационарных

состояний при переходе в которые поглащается или излучается квант

энергии. В самом же стационарном состоянии атом не излучает. Однако

теория Бора не объясняла интенсивности и поляризации излучения. Частично

с

этим удалось справиться с помощь принципа соответствия Бора.

Этот принцип сводится к тому, что при описании любой

микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией, применяемой

в макромире.

Принцип соответствия сыграл важную роль в исследованиях де

Бройля. Он выяснил, что не только световые волны обладают

дискретной структурой, но и элементарным частицам материи

присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема

создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929

году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое

уравнение, носящее его имя.

Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения

Шредингера. Он показал, что это уравнение описывает амплитуду

вероятности нахождения частицы в данной области пространства.

Чуть раньше (1925г.) Гейзенбергом была разработана

квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на

соотношении неопределённостей Гейзенберга: чем больше

неопределённость пространственной координаты, тем меньше

неопределённость значения импульса частицы. Аналогичное

соотношение имеет место для времени и энергии частицы.

Таким образом, в квантовой механике была найдена

принципиальная граница применимости классических физических

представлений к атомным явлениям и процессам.

В квантовой физике была поставлена важная проблема о

необходимости пересмотра пространственных представлений

лапласовского детерминизма классической физики. Они оказались

лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных

идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм

упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование

принципиальной неопределённости в состоянии объекта, наличие черт

целостности и индивидуальности в микромире, что и выражалось в

понятии универсального кванта действия h.

Квантовая механика была положена в основу бурно

развивающейся физики элементарных частиц, количество которых

достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не

создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных

частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё

большими трудностями. Оказалось, что микромир является

многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют

специфические виды взаимодействий и специфические свойства

пространственно - временных отношений. Область доступных в

эксперименте микроскопических интервалов условно делится на

четыре уровня: 1) уровень молекулярно - атомных явлений, 2)

уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов,

3) уровень элементарных частиц, 4) уровень ультрамалых

масштабов, где пространственно - временные отношения

оказываюстя несколько иными, чем в классической физике

макромира. В этой области по-иному следует понимать природу

пустоты - вакуум.

В квантовой электродинамике вакуум является сложной

системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов,

электронно - позитронных пар и других частиц. На этом уровне

вакуум рассматривают как особый вид материи - как поле в

состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая

электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и

время нельзя оторвать от материи, что так называемая "пустота"

- это одно из состояний материи.

Считается, что в вакууме, в любой точке пространства существуют

«нерожденные» частицы и поля абсолютно всех возможных видов. Но их энергия

недостаточно велика, чтобы они могли появиться в виде реальных частиц.

Наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц получило название

нулевых колебаний вакуума. В частности, в вакууме во всех направлениях

движутся фотоны всех возможных энергий и частот. Но так как эти частицы

летят во всех направлениях, то их потоки взаимно уравновешивают друг друга,

и мы ничего не ощущаем.

В тех случаях, когда однородность потока скрытых частиц нарушается,

движется больше, чем в противоположном, нулевые колебания в вакууме

начинают себя проявлять [4].

В физике микромира по одной из систематик на основе весьма общих

теоретических соображений все элементарные частицы делятся на 3 класса: I

класс включает в себя фотон - порцию электромагнитного излучения, II -

электрон и нейтрино, III класс - андроны - самый многочисленный (их

известно сейчас несколько сотен). К этому классу относятся, в частности,

протон, нейтрон и мезон - частицы с массами промежуточными между массой

электрона и массой протона. Значительная часть адронов - нестабильные

частицы с очень коротким временем жизни. Особо коротко живущие частицы

получили название резонансов [4].

Среди них имеются частицы, массы которых в несколько раз превосходят

массу протона. И есть предположение, согласно которому «спектр масс»

элементарных частиц вообще простирается до бесконечности. Если подобное

предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в

ультрамалых пространственно-временных областях могут рождаться

макроскопические и даже космические объекты.

Во всяком случае современная теория элементарных частиц такую

возможность допускает.

Согласно одной из гипотез Вселенная, выйдя из исходного состояния,

поначалу была вообще пустой, а все вещество и излучение возникли из

вакуума.

Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого

суперадрона с массой 1056 г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный

сгусток материи, который дал начало наблюдаемой Вселенной. Его распад на

более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а

последующие распады на адроны с еще меньшими массами - к образованию

галактик [4].

Микромир и мегакосмос - две стороны одного и того же процесса, который мы

называем Вселенной. Физика микромира проникла в область явлений, которые

характеризуются масштабами порядка 10-15 см, астрофизика изучает объекты,

для которых характерны расстояния вплоть до 1028 см. Но какими бы

гигантскими размерами ни обладала та или иная космическая система, она в

конечном итоге состоит из элементарных частиц. В то же время мы сами, как

и все окружающие нас объекты, являемся частью мегакосмоса.

В работе "Относительность и проблема пространства"

Страницы: 1, 2