Согласно общей теории относительности, степень искривления пространства, т.е. степень отклонения его от евклидовой геометрии, сильнее там, где материя обладает большей энергией. В этих же условиях время течет медленнее.
Наше пространство является “плоским” в том смысле, что оно удовлетворяет всем аксиомам геометрии Евклида. Движение свободного тела в таком пространстве является равномерным и прямолинейным - движением по инерции. Движение тел по инерции есть проявление однородности пространства и времени.
Однородность пространства означает, что любая его точка физически равноценна, т.е. перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом. (Один и тот же физический эксперимент, поставленный в Москве или в Нью-Йорке, дает одинаковые результаты).
Однородность времени нужно понимать как физическую неразличимость всех моментов времени для свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любой момент времени может быть принят за начальный. (В свое время Архимед открыл законы плавания тел. В настоящее время каждый из нас может легко их воспроизвести).
Вблизи таких объектов, как, например, черные дыры, пространство может обладать очень сложными геометрическими формами. Огромные массы вещества, содержащиеся в галактиках и их скоплениях, искривляют пространство. Однако кривизна реального пространства Вселенной мало отличается от нуля. Вот почему кратчайшее расстояние между двумя точками в земных условиях и до ближайших звезд нашей Галактики есть все же прямая линия.
Эйнштейн показал органическую взаимосвязь пространства и времени, относительность пространственных и временных соотношений в материальном мире. Пространство и время определяются распределением и движением масс материи. В связи с этим на смену представлениям о бесконечной неизменной Вселенной приходят другие представления.
Чтобы легче понять, какова модель Вселенной по Эйнштейну, обратимся к двумерному пространству. Представим себе плоское существо, “жука”, живущее на растяжимой поверхности. Бросим на эту поверхность стальной шар, поверхность прогнется, но жук этого не заметит, так как вне этой поверхности для него ничего не существует. Если бросим второй шарик, то он скатится в углубление в первому, а жуку покажется, что второй шарик притянулся к первому.
Эта аналогия позволяет понять теорию Эйнштейна, согласно которой вблизи всякого инертного тела пространство искривляется. В искривленном пространстве наименьшим расстоянием между двумя точками является геодезическая кривая. В таком пространстве свободное движение тела происходит по геодезической кривой.
Если представить, что криволинейное движение тел под действием силы тяготения - это свободное движение в искривленном пространстве, то можно считать, что всякое тело вблизи себя искривляет пространство и это искривление передается подобно волне, от точки к точке. Тогда не надо будет говорить о силах тяготения.
Но движение под действием этих сил не только криволинейное, ускорение может меняться и по модулю. Чтобы объяснить тяготение изменением свойств пространства, надо превратить время в одно из измерений пространства. В теории относительности фигурирует четырехмерное пространство (четвертой координатой является время), искривление которого позволило Эйнштейну полностью объяснить все явления, связанные с тяготением. Это искривление производят тела. В зависимости от плотности вещества геометрия такого пространства может быть приближенно евклидовой, или геометрией Лобачевского, или геометрией Римана.
Представления об искривленном пространстве дали возможность построить модели Вселенной, отличные от модели Ньютона. По одной из моделей мир безграничен, но не бесконечен (пример с поверхностью шара).
В 1922 году А.А.Фридман показал, что теория тяготения Эйнштейна позволяет построить еще две равноправные модели Вселенной: закрытую, подобно поверхности шара, и открытую (расширяющийся цилиндр).
Во времена Аристотеля считалось, что весь материальный мир построен из четырех основных субстанций - земли, воздуха, огня и воды. Это были своего рода “элементарные частицы” природы. В начале 30-х годов нашего столетия современная наука смогла найти более приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц - протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Это была простая и привлекательная схема: с помощью всего лишь четырех типов элементарных частиц, следуя законам квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их соединений и испускаемых ими излучений. Добавление пятой частицы - нейтрино - позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются основными кирпичиками мироздания.
Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Были открыты позитрон и более сотни различных мезонов. Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудный вопрос о том, что лежит в основе строения вещества. И пока еще не удалось найти ключа к решению загадки элементарных частиц.
Литература
1. Авакян С.В., Коваленок В.В. Неопознанные явления - “проделки” плазмы?/Природа, 1992, 6
2. В поисках истины (Мигдал)/ Природа, 1992, 4
3. Торн К.С. Черные дыры и искривление времени: дерзкое наследие
4. Эйнштей на/ Природа, 1994, 1, 2, 5, 7, 8, 10, 11
5. Шрейдер Ю.А. Препятствие - логика/ Природа. 1992. 1
Тема 1.1. Физика необходимогоМир дискретных объектов - физика частицУчение о дискретном, корпускулярном строении материи возникло в античной философии (атомистика Левкиппа - Демокрита). Согласно Демокриту материя состоит из атомов, которые есть предел ее физической делимости, а пространство - из амер, которые есть предел математической делимости пространства.
С появлением физики и химии атомистическая гипотеза стала естественнонаучным учением. Атом стал рассматриваться как наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Наряду с понятием атома было введено представление о молекуле, которая представляет собой наименьшее количество вещества, вступающее в реакцию.
Применение атомистики позволило решить ряд фундаментальных проблем физики и химии: механизм химических реакций, природа тепловых процессов, статистический характер закона возрастания энтропии и др. М.Планк показал, что процессы поглощения и излучения энергии носят дискретный характер. Эйнштейн теоретически обосновал идею дискретности электромагнитного поля. Согласно квантовой теории любое физическое поле имеет дискретную природу.
Дискретность проявляется и в макромире, где существуют обособленные друг от друга клетки, многоклеточные организмы, виды, экосистемы.
Состояние физической системы и его изменение со временем
Состояние системы - физическая характеристика системы, определяемая значениями характерных для системы физических величин.
Состояние материальной точки в механике определяется заданием координат и скорости. Закон движения m*Dv/Dt=F связывает ее состояния в различные моменты времени. Если известны начальные координаты и скорость точки, а также силы как функции координат, то тем самым полностью определяется все последующее движение материальной точки. Задав любой момент времени из приведенной формулы можно определить координаты и скорость точки в этот момент.
Для количественного изучения движения любых объектов необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета понимают систему координат и часы, связанные с телом отсчета.
В качестве системы координат пользуются прямоугольной декартовой системой. В качестве часов используется любой периодический процесс, который осуществляется в природе.
Если в качестве тела отсчета берут свободно движущееся тело, то система отсчета называется инерциальной. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколько угодно, и все они будут относительно друг друга двигаться по инерции. Нет критерия, по которому мы могли бы предпочесть одну инерциальную систему отсчета другой, также инерциальной. Все инерциальные системы отсчета являются физически эквивалентными.
Какое бы физическое явление ни рассматривалось, с точки зрения любых инерциальных систем отсчета оно выглядит совершенно одинаковым. Это означает, что математическая формулировка закона природы должна быть таковой, чтобы она не менялась при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это положение в физике называют принципом относительности.
Если известно положение материальной точки в одной инерциальной системе отсчета, то можно определить ее положение в другой инерциальной системе, используя преобразования Галилея:
x = x' + Vt,
t = t'
Второе равенство выражает абсолютность времени, т.е. его независимость от выбора инерциальной системы отсчета.
Равенства
Dx = Dx'
Dt = Dt'
выражают независимость длин и промежутков времени от выбора инерциальных систем отсчета. Другими словами, размеры тел и ход времени не зависят от того, что эти тела находятся в состоянии движения.
Из равенства
v = v' + V
следует, что скорость есть понятие относительное; ее значение зависит от выбора системы отсчета. В частности, если в некоторой системе отсчета тело покоится, то относительно всех других оно движется с той или иной постоянной скоростью. Если положить v'=0, то v = V.
Равенство
Dv/Dt=Dv'/Dt'
означает, что ускорения тел во всех инерциальных системах одинаковы.
В 1905 году Эйнштейном опубликована специальная теория относительности. Два основных постулата отличают специальную теорию относительности от классической физики:
1) обобщенный принцип относительности, утверждающий, что во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы;
2) предельная скорость распространения взаимодействий совпадает со скоростью света в вакууме (Ньютоновская механика утверждает, что в принципе возможно распространение взаимодействий, передача сигналов, информации с бесконечной скоростью).
Преобразования Лоренца учитывают существование предельной скорости, но содержат преобразования Галилея как предельный случай, когда скорости v<c.
С точки зрения движущихся систем отсчета размеры тел или расстояния между двумя точками в пространстве уменьшаются.
Темп времени у движущихся часов замедляется. Преобразования Лоренца имеют в современной физике фундаментальное значение. Механику, учитывающую наличие предельной скорости c, называют релятивистской.
Два следствия из СТО: 1 - одновременность двух событий относительна. Если два события, произошедшие в разных точках, одновременны в одной инерциальной системе отсчета, то они не одновременны во всех других системах.
2 - тело с массой покоя m обладает энергией . Она может выделяться, если уменьшить массу тела. Она и выделяется: чуть-чуть при химических реакциях и в миллионы раз интенсивнее при ядерных реакциях.
В классической физике принцип относительности утверждался только для законов механики. В специальной теории относительности он провозглашен как общий закон природы. Согласно ему законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета.
Законы динамики и детерминизм Лапласа. В 1687 году Исаак Ньютон издал свою важнейшую работу “Начала”. Ньютон не изобрел динамику; напротив, он максимально использовал работы предшественников, особенно детальные эксперименты и рассуждения Галилея. Величайшей заслугой Ньютона было полное описание динамики движущихся тел.
Первый закон Ньютона или закон инерции: если действующая на тело результирующая сила равна нулю, то ускорение тела равно нулю и тело движется с постоянной скоростью.
Fрез=0 ? a = 0, или v = const.
Таким образом, если к телу, находящемуся в состоянии покоя, не приложено никаких сил, оно продолжает оставаться в состоянии покоя; если тело движется, оно сохраняет постоянную скорость.
Второй закон Ньютона: Ускоренное движение тела может быть вызвано только силой, приложенной к этому телу. Ускорение пропорционально действующей на тело силе, причем коэффициент пропорциональности характеризует инерцию, или массу тела, т.е. F=ma.
Третий закон Ньютона: если тело 1 действует на тело 2 с какой-либо силой, то тело 2 действует на тело 1 с равной противоположно направленной силой. Таким образом, любая сила всегда встречается в паре с равной по величине противодействующей силой, т.е. F12 = -F21. Это соотношение позволяет нам, по крайней мере в принципе, дать точное определение массы.
Третий закон выполняется приближенно, но с очень высокой степенью точности, если взаимодействующие тела расположены так близко друг к другу, что воздействие передается за время, практически равное нулю.
Открытие законов механики послужило основой для формирования механистической картины мира, согласно которой миром правят строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течение всех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящим из вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощью законов механики.
Согласно представлениям того времени чья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем были предопределены существовавшим до этого расположением и скоростью частиц, составляющих Вселенную. “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”, - утверждал один из создателей механистической картины мира - Исаак Ньютон.
Лаплас: “Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее прежних состояний и как причину для будущих. Разумное существо, которое могло бы знать в какой-то момент времени все действующие в природе силы, а также соответствующие положения всех составных частей природы, смогло бы, при наличии достаточных аналитических способностей для оценки этих данных, охватить движение небесных тел и мельчайших атомов с помощью одной формулы. Ничто не укрылось бы от существа; прошедшее и будущее, в равной степени открытые, легли бы перед ним”.
С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые более адекватно отражали существующие в нем взаимосвязи.
Импульс, энергия и момент системы как меры движенияДля материальной точки произведение массы тела (или частицы) на его скорость называют его импульсом p=mv.
Энергия представляет собой способность совершать работу. Существует три основных вида энергии:
1) кинетическая энергия, характеризующая состояние движения тела,
2) потенциальная энергия, обусловленная силами, действующими на тело со стороны других тел,
Eпот=mgh,
3) собственная энергия, связанная с массой покоя тела формулой Эйнштейна
Момент импульса (момент количества движения) есть произведение расстояния от тела до оси вращения на перпендикулярную компоненту импульса
L=rp=rmv.
Момент импульса является векторной величиной. Направление вектора момента импульса совпадает с направлением перемещения винта с правой нарезкой, если винт вращается в ту же сторону, что и объект.
В изолированной системе различные формы энергии могут превращаться друг в друга без потерь. Иными словами, в любом физическом процессе энергия сохраняется.
Например, потенциальная энергия может превращаться в кинетическую и обратно без всяких потерь. Иными словами, тело массой m, падая с высоты h, приобретает кинетическую энергию , равную потенциальной mgh.
Чтобы применять законы сохранения для совокупностей частиц (систем) или для макроскопических тел, следует отыскать ту точку системы или тела, которая всегда движется в соответствии с законами сохранения. Такая точка называется центром масс системы.
1. В отсутствие внешних сил центр масс системы движется с постоянной скоростью.
2. Если к системе как к единому целому приложена сила F, то центр масс приобретает ускорение a = F/M, где M - общая масса системы.
3. В отсутствие моментов внешних сил полный момент импульса системы относительно ее центра масс остается постоянным.
Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)Представление о континууме также родилось в античную эпоху и выразилось, в частности, в лестнице веществ и существ Аристотеля.
Понятие континуума как одно из уточнений категории непрерывности имеет важные методологические функции. Например, Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) считал, что непрерывность обладает онтологическим статусом (“Природа не делает скачков”) и выступает необходимым условием истинности законов природы. Учение, согласно которому все тела сложены из простых элементов, совершенно правильно. Но атомы не могут быть такими элементами: их неделимость - фикция, ибо материя делима до бесконечности. Неделимыми могут быть только атомы нематериальные, силовые. Их Лейбниц назвал монадами.
Идею непрерывности развил далее Боннэ (1720-1793) в форме “лестницы существ”: природа не терпит скачков; все в ней совершается постепенно и равномерно путем оттенков. Вот почему между классами или родами организмов существуют промежуточные группы. Существует постепенный переход от человека к животному, от животного к растению и от растения к минералу.
В физике под континуумом понимается идеализированная модель единого физического пространства-времени. Она получается путем отождествления точек геометрического континуума с точками физического пространства-времени и определения на геометрическом континууме метрических отношений и функциональных связей посредством мысленного воспроизведения движений твердых тел (в классической механике) или световых сигналов (в теории относительности).
В соответствии с представлениями общей теории относительности метрическая структура пространственно-временного континуума детерминируется распределением плотности вещества и излучения во Вселенной. Континуальная модель физического пространства-времени - результат становления и развития классической математики и классической (неквантовой) физики.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24
