Концепция мира событий (реализация идеи единства пространства и времени) 1
Концепция мира событий (реализация идеи единства пространства и времени) 1. Понятие события ( что? где? когда? ) отражает равноправие пространственных и временных координат для описания движения любого объекта в данной неподвижной системе отсчета (СО). 2
Система отсчета - СО у Система пространственных координат + совокупность «местных» неподвижных часов x А если часы будут двигаться вместе с системой отсчета? Скажется ли это на темпе перемещения стрелок? 3
Если СО движется с большой скоростью (V сравнимо со скоростью света): • понятия когда? и как долго? становятся неоднозначными, они начинают зависеть от скорости СО. • показания «местных» часов зависят от пространственных координат события • промежутки времени между событиями зависят от скорости системы отсчета 4
«Парадокс» μ – мезонов и замедление времени • μ – мезон в лаборатории на Земле «живет» от рождения до распада τ = 2, 2 ∙ 10 - 6 сек. • Даже при скорости, равной С = 3 ∙ 10 8 м/сек он смог бы пройти расстояние • = 660 м • «Место» его рождения на высоте 20 км над Землей. • Как разрешить противоречие? либо v >> c, • либо t >> τ !!! 5
Следует признать, что движущиеся в пространстве часы идут медленнее Период неподвижных часов Период движущихся часов Знаменатель дроби тем меньше 1, чем больше -- Скорость света скорость движения , т. е. период движущихся часов становится больше часов 6
Темп хода движущихся часов замедляется 7
• Если бы тело перемещалось в пространстве со скоростью света, его «движение во времени» вообще бы прекратилось • Это происходит с фотонами в вакууме. Для них «время остановилось» , они не «стареют» ! 8
Научная фантастика Парадокс близнецов 9
Рассуждаем дальше: • Если перемещающиеся в пространстве часы замедляют свой ход, измеряемое с их помощью расстояние также должно уменьшиться! Точка зрения неподвижного наблюдателя: размер объекта, движущегося со скоростью V , уменьшается L p< L 10
Сокращение длины в направлении движения Если бы самолет летел с V ~ c, диспетчер на Земле обнаружил бы, что самолет стал «короче» 11
Относительность сокращения длины • Пилоту движущегося самолета не почувствует «сжатия» своего летательного аппарата. • Ему будет казаться, что объекты на Земле стали короче, так как они будут удаляться от него со скоростью V ~ - c. 12
Новые относительные величины Понятие «одновременно» зависит от скорости системы отсчета А x В x А V В t ВРЕМЯ В неподвижной системе события А и В происходят в одно ВРЕМЯ t 1 t 2 В движущейся системе события А и В происходят в разное ВРЕМЯ 13
Понятие «в одном месте» зависит от скорости системы отсчета Х А Х 2 В Х 1 время События А и В в одном месте в неподвижной СО V В А время События А и В происходят в разных местах в движущейся СО 14
Итак, в мире событий не существует абсолютных представлений об одновременности и одноместности двух событий. Эти понятия становятся относительными 15
• В мире больших скоростей неподвижный и движущийся наблюдатели воспринимают пространство и время по-разному: скорости, расстояния Δx, промежутки времени Δt зависят от наблюдателя, но • В этом мире есть новая абсолютная сущность – единое пространство-время Это основные утверждения СТО – специальной теории относительности, созданной Альбертом Эйнштейном в 1905 г. 16
Создатель специальной теории относительности – А. Эйнштейн • 1879 -1955 17
Основные принципы СТО 1. Принцип относительности Во всех СО, которые движутся равномерно и прямолинейно, : • физические характеристики объектов могут иметь разные числовые значения, однако • законы природы, выражающие отношения между характеристиками объектов, одинаковы 18
2. Принцип предельной скорости Объекты, имеющие ненулевую массу, не могут достигать скорости V, равной скорости света в пустоте: V < c. 3. Принцип постоянства скорости света Скорость света не зависит от скорости движения источника излучения, а также от скорости наблюдателя 19
Главная идея СТО • независимость скорости света от движения наблюдателя – неопровержимый факт Чтобы реализовать этот факт, пространство и время «подстраиваются» под наблюдателя: они могут растягиваться и сжиматься 20
Проявление эффектов теории относительности • Магнитное поле электрического тока – релятивистский эффект Электрический ток e- e- e- За счет скорости движения зарядов расстояние между ними уменьшается. Это ведет к эффективному увеличению силы их взаимодействия – появлению магнитной силы – силы Лоренца. 21
Проявление эффектов теории относительности Влияние движения СО на электрическое и магнитное поле: понятия электрического поля Е и магнитного поля В относительны, т. е. зависят от СО 22
Обобщение выражений для импульса и полной энергии корпускулы Ньютонова теория Теория относительности Эйнштейна импульс полная энергия покоя mc 2 кинетическая энергия 23
Универсальность константы с Данная величина определяет: 1. скорость ЭМИ в пустоте V = c 2. силу взаимодействия двух эл. токов 3. связь размеров неподвижного Даже для и движущегося объектов, имеющих 4. связь промежутков времени в скорость неподвижной и движущейся СО V≠c 5. величину импульса объекта 6. энергию покоя любого объекта 24
Фундаментальность константы с • Данная величина существенна для всех видов материи - ЭМИ (масса фотона =0) и тел, имеющих ненулевую массу. • Универсальность и фундаментальность константы с дает основание связать ее со свойствами не самих объектов, а с единым пространством – временем, т. е. с геометрией мира событий 25
с – имеет более глубокий смысл, чем только скорость света. Ее относят к числу четырех мировых констант и называют электродинамической постоянной 26
Концепция мира событий Существует единый четырехмерный пространственно-временной мир событий, в котором: Все явления определяются единой мировой константой – электродинамической постоянной с 27
Концепция мира событий Скорость света в пустоте является предельно возможной скоростью движения материальных объектов с = 3∙ 108 м/ сек 28
Понятия «одновременно» и в «одном месте» не являются одинаковыми для всех систем отсчета. Они зависят от скорости движения системы отсчета Даже изолированное неподвижное тело массы m обладает энергией покоя E 0 =mc 2 29
Значение теории относительности До СТО - две самостоятельные теории, противоречащие другу: • Механика - скорость объекта зависит от выбора СО • Электромагнетизм – скорость ЭМИ постоянна во всех СО СТО объединила обе теории на основе новых представлений о едином мире событий 30
Необходимость модификации Ньютоновской теории гравитации • Теория гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. • Это несовместимо с со специальной теорией относительности, в которой никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в пустоте. 31
• Чтобы разрешить это противоречие, необходимо вернуться к обсуждению самого понятия пространства, которое не существует безотносительно к находящимся в нем телам 32
Пространство-время «Без материи нет и пространства. Пространство есть такой порядок, который делает возможным расположение тел в случае их совместного существования» Г. Лейбниц 1646 -1716 33
К понятию пространства АЛФАВИТ: А Б В Г Д Е Ж З…Э Ю Я 1. Возникает вместе с буквами 2. Устанавливает взаимное расположение (порядок) букв 3. Не имеет смысла без буквенного содержания Аналогично ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ имеет смысл только применительно к событиям, происходящим в нем с массивными телами. 34
Согласно Лейбницу • Если из пространства убрать все объекты, оно стало бы столь же бессмысленным, как и алфавит без букв Если бы Вселенная сдвинулась «в сторону» как единое целое, мы не смогли бы об этом узнать. Невозможность обнаружить пространство как самостоятельную сущность подтверждение позиции Лейбница 35
В присутствии малых масс геометрия Евклида 1. аксиома параллельных 2. Сумма углов треугольника равна 180 0 (π) r 3. Длина окружности 2πr 3. Кратчайшее расстояние между двумя точками - прямая 4. В прямоугольном треугольнике – теорема Пифагора: сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы4 36
Памятник числу «пи» на ступенях перед зданием Музея искусств в Сиэтле
Величие числа π • π = 3, 141592653589793238462634385… • Оно формирует евклидову геометрию, которая справедлива для большей части Вселенной • В знак фундаментальности этого числа существует «праздник π» , который совпадает с днем рождения А. Эйнштейна (1879). Назовите дату рождения Эйнштейна.
Пространство с нулевой кривизной «плоское» пространство - В нем справедлива трехмерная геометрия Евклида - В нем могут быть плоские кривые (напр. , окружность), а также поверхности и объемные тела, имеющие три измерения 39
В геометрии Евклида существуют поверхности различной формы 40
Кривизна поверхности в евклидовом пространстве Кривизна > 0 Кривизна = 0 Кривизна < 0 41
ОДНАКО СУЩЕСТВУЮТ И Неевклидовы пространства с кривизной < 0 или > 0. Эти пространстваповерхности не вложены в трехмерный мир, а самостоятельные геометрические сущности Они подчиняются другой геометрии. В неевклидовой геометрии сумма углов треугольника отлична от π, длина окружности не равна 2πr, а кратчайшее расстояние между двумя точками - кривая линия (дуга), называемая геодезической. В этом случае кривизна определяется уже не числом, а особой математической величиной – тензором. 42
Подобную ситуацию можно представить и на сфере движение червячка по ее поверхности возможно только по дуге 43
Дуга АВ - геодезическая Кратчайшее расстояние между двумя точками на сфере- дуга сечения, проходящего через центр сферы 44
Самолеты экономят горючее: Кратчайший путь Нью-Йорк- Пекин по геодезической 45
Батут с грузами– модель искривленного неевклидова пространства 46
В СТО рассматриваются только движения с постоянными скоростями • Эти движения неотличимы от покоя • В то же время движения с ускорением имеют существенные особенности 47
Гравитация создает ускорение g и вызывает силу тяжести 48
Можно ли «управлять» силой тяжести? При резком подъёме в лифте нам кажется, что наш вес увеличивается, а при резком спуске - уменьшается Проявление связи ускорения и гравитации заметил Эйнштейн 49
Можно ли создать «невесомость» Если трос лифта оборвется, то лифт, весы и человек будут падать с одинаковым ускорением g. Человек перестанет давить на весы, и они покажут ноль. Сила тяжести не исчезнет, но «невесомость» возникнет 50
Движение по окружности происходит с центростремительным ускорением При движении по окружности кресло отклоняется от вертикали, что можно объяснить появлением дополнительной горизонтальной силы. 51
Счастливая идея Эйнштейна! ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ: ускорение и гравитация эквивалентны. На карусели человек будет прижат к стенке, как будто появилась «горизонтальная» сила тяжести! 52
Счастливая идея Эйнштейна! Кроме того, длина окружности карусели для него уже не равна , т. к. при движении радиус окружности уменьшается. А отступление от геометрии Евклида – признак искривленного пространства. Итак, при ускоренном движении пространство искривляется! Где искать причину искривления ? 53
Причину искривления следует связать с массой тел. Основная идея ОТО ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА Источник искривления пространства- времени: массивные космические тела. 54
Итак, по Эйнштейну: Кривизна • Кривизна Пространствапространства. Времени времени ТЯГОТЕНИЕ • Движение в поле тяготения (с ускорением ) эквивалентно движению (по инерции) в искривленном пространстве без материи 55
В пространстве, искривленном от присутствия массивных тел: другие свободные тела движутся уже не прямолинейно, а по кривым линиям – геодезическим. 56
Вблизи массивного тела даже луч света отклонится от прямолинейного направления • Сближение и расхождение геодезических – результат тяготения, источником которого служит масса космического тела. Спутник для измерения гравитационных возмущений пространства вокруг Земли подтвердил, что Эйнштейн был прав. Тело огромной массы – наша планета – действительно искривляет пространство, закручивая его своим вращением. 57
Теория тяготения Эйнштейна (общая теория относительности) • Если все тела в одной и той же точке пространства падают с одинаковым ускорением, то это ускорение следует связать не со свойствами конкретных тел, а со свойствами самого пространства в этой точке. 58
Общая теория относительности ОТО – теория гравитации • Описание гравитационного взаимодействия между телами можно свести к описанию пространства-времени, кривизна которого определяется гравитационной постоянной G. Великое уравнение А. Эйнштейна Rab, gab, R – характеристики пространства, Λ – космологическая постоянная, с- скорость света, G- гравитационная постоянная, Tab – тензор энергии-импульса Здесь
Концепция пространствавремени в ОТО • Пространство-время оказываются локально (вблизи массивных тел) искривленными • Вся материя, рассеянная в Космосе, вносит вклад в гравитационное поле и, тем самым, в кривизну пространства-времени • Вопрос: как быстро может меняться форма пространства-времени? – Ответ: не мгновенно, как в теории Ньютона, а со скоростью C 60
Гравитационная постоянная G • Определяет силу тяготения между объектами, имеющими массу. • Определяет кривизну пространствавремени, т. е. свойства природы на фундаментальном уровне • Ее относят к числу мировых постоянных • Совместно с электродинамической постоянной с она составляет пару мировых постоянных, формирующих классическую версию ЕНКМ 61
При скоростях, сравнимых со скоростью света: Пространствовремя Искривление пространства Искривление времени Сокращение длины Замедление хода часов 62
Дж. Уиллер: Масса управляет пространством, говоря ему, как искривляться, а пространство управляет массой, говоря ей, как двигаться 63
Экспериментально наблюдаемые эффекты, подтверждающие справедливость теории гравитации Эйнштейна 64
1. Отклонение светового луча вблизи Солнца – следствие локального искривления пространства Наблюдения – 1, 64 угл. мин. По Ньютону 0, 88 угл. мин По Эйнштейну 1, 75 угл. мин Прекрасное совпадение предсказаний ОТО и наблюдаемых данных. 65
2. Смещение перигелия Меркурия 66
Смещение перигелия Меркурия Наблюдения: Полный поворот орбиты за 225 000 лет, или 43 угл. сек. / год по Ньютону 244 000 лет По Эйнштейну 43 угл. сек. / год !!! 67
3. Атомные часы • Атомы одного сорта излучают ЭМИ определенных частот - их можно рассматривать как «атомные часы» . • Гравитационное поле влияет на частоту излучения атома: чем сильнее поле, тем меньше частота излучения 68
Электромагнитное излучение атомов 69
Влияние гравитации на ход атомных часов На высоте от Земли, в более слабом гравитационном поле атомные часы «тикают» быстрееэффект увеличения частоты На высоте происходит сдвиг частоты атомных часов в сторону синих (более высоких) частот на высоте от Земли Более сильное гравитационное поле Земля вблизи Земли 70
Наш мир – плоский или искривленный ? • Искривление – локально, вблизи массивных тел • В целом, наша Вселенная – плоская (Евклидова), но с локальной «мелкой рябью» 71
• Классическая концепция измерения 72
Классическая концепция измерения • Прибор – канал связи между исследователем и изучаемым объектом. • Идеальный прибор не вносит возмущения в состояние объекта • Характеристики объекта в данных условиях имеют строго определенные значения • Все повторные измерения с идеальным прибором приводят к воспроизведению ПЕРВОНАЧАЛЬНО ПОЛУЧЕННОГО РЕЗУЛЬТАТА 73
Реальные измерения • Реальный прибор создает погрешности, которые в принципе могут быть устранены. • Повторные измерения необходимы лишь для компенсации погрешностей реальных измерительных процедур. • Истинное значение измеряемой характеристики может быть найдено из эксперимента путем усреднения результатов нескольких измерений 74
• Итоговый результат реального измерения любой величины А имеет вид А = А ср. ± Δ А, где А ср – среднее значение по нескольким измерением( число) Δ А – стандартное отклонение (средний гарантируемый разброс значений) величины А. В теоретических рассуждениях разброс не принимается во внимание 75
Исторический обзор и общая характеристика классической версии ЕНКМ 76
Этапы формирования элементов классической версии ЕНКМ: 17 -18 в. в. механика Ньютона, включая классическую теорию гравитации (дальнодействие) В биологии - бинарная (род, вид) систематика и иерархия таксонов (тип, класс, отряд, семейство, род, вид, царство) Линнея 77
19 век – теория клеточного строения М. Шлейдена и Т. Шванна электромагнетизм Ампера, Фарадея, Максвелла (дальнодействие), - светоносный эфир термодинамика Карно - теплород, периодическая система химических элементов Менделеева теория строения органических соединений Бутлерова кинетическая теория газа Больцмана 78
Цивилизация на рубеже 19 -20 в. в. • Часы • Тепловая машина • Бытовое электричество • Самодвижущиеся экипажи • Синтетические красители 1 • Мелиорация и внесение удобрений -------------------------1 Зинин (Россия), А. фон Байер (Германия) 79
Объекты моделирования в классической версии ЕНКМ: • физика- тела и ЭМИ, • химия – вещества и реакции, • биология – организмы 80
Ключевые идеи классической версии ЕНКМ: • то, что мы наблюдаем, не есть природа как таковая. Это природа в свете наших вопросов В. ГЕЙЗЕНБЕРГ 1901 г. – 1976 г. (Германия) создатель квантовой механики; Нобелевская премия по физике, 1932 г. 81
Ключевые идеи классической версии ЕНКМ: • Классическая версия основана на позиции естествоиспытателя как стороннего наблюдателя природы. • Изучение строения объектов природы • Систематика объектов по свойствам и характеристикам • Целостность понимается как составленность или слитность отдельных фрагментов объекта • Влияние окружения сводится к контролируемому воздействию, которому можно сопоставить формулу 82
Характеристика классической ЕНКМ 1. Это мир моделей объектов. 2. Модели объектов наглядны, имеют предметные образы и легко поддаются онтологизации: • • • Корпускула и Континуум Молекула Клетка 83
3. Изучение природы основано на пространственном разделении системы на объект и окружение. 4. При этом окружение создает только регулярные (контролируемые ) воздействия 84
5. Характеристики объекта имеют строго определенные, точные значения 6. Между причиной и следствием – (по Лапласу), однозначная функциональная связь, в природе нет случайности – лапласов детерминизм Принцип предопределенности событий Маркиз Пьер Симон де Лаплас (1749 -1827) 85 Франция (France)
6. Отсутствие флуктуаций 1) характеристик объектов как естественных и неустранимых эффектов 7. Вероятность как вторичное понятие для компенсации недостатка полной информации об объекте. 1) Флуктуации – самопроизвольные изменения значений характеристик объектов, связанные с вероятностной природой их поведения) 86
• 8. Принципиально возможно • А) найти пока не известные характеристики объекта • В) бесконечно увеличивать точность эксперимента • 9. Окружение объекта всегда поддается точному описанию и создает однозначный контекст события 87
Классическая логика • Теория основана на однозначной классической логике «или-или» . Это значит, что из двух альтернативных возможностей реализуется только одна ( например, или «да» или «нет» ; или «за» или «против» ; или «здесь» или «не здесь» ; или «корпускула» или «континуум» …) 88
Мировые постоянные классической версии ЕНКМ • В рамках классической стратегии изучения природы наш мир согласованно описывается на основе двух фундаментальных констант – электродинамической с и гравитационной постоянных G 89
Рубеж 19 -20 в. в. СТО завершила этап формирования целостной классической версии КМ в физике В естествознании в целом классическая версия КМ еще не сформирована. Идеал целостности ЕНКМ не достигнут! 90
АРХИВ 2012 • Пространство-время • Измерение 91
Как это объяснить? Какой из автомобилей раньше придет к финишу? 92
Разложение скорости на проекции V=VY Vy х Если V =Vy , то скорость по оси Х равна 0 и перемещения вдоль оси X нет 93
Событие В простейшем случае для описания события необходимо задать две координаты ( x , t) t 2 1 При движении тела из положения 1 в положение 2 изменяются обе координаты x 94
В покое изменяется только одна координата -время • Если тело не изменяет своего положения, «движение» все равно происходит, но во времени Время «течет» , время Перемещения нет, покой Х=х0 координата 95
При перемещении тела • движение «распределяется» между пространственным и временным измерениями время Тело движется Время «течет» Перемещение происходит координата 96
• Полная скорость движения любого объекта в пространстве - времени всегда равна скорости света • Если тело перемещается в пространстве из состояния покоя, «часть» движения только во времени «перенаправляется» в движение в пространстве. • Это можно интерпретировать как замедление движения во времени, или замедление времени 97
Научная фантастика Парадокс близнецов 98
Попробуем разобраться Сириус (α Большого Пса) – ярчайшая звезда нашего неба 99
Относительность парадокса близнецов Расстояние до Сириуса 8, 7 световых лет. 1 св. год = 9460 млрд. км Пусть космический корабль движется со скоростью 12/13 скорости света Время движения до Сириуса и обратно 19, 8 лет по часам корабля На Земле по неподвижным часам пройдет 51, 5 лет 100
Относительность парадокса близнецов С другой стороны, космонавт может считать свой корабль неподвижной системой отсчета, тогда Земля удаляется от него со скоростью -1213 скорости света. На Земле пройдет 19, 8 лет, а по часам корабля 51, 5 лет. ПАРАДОКС!!! 101
Относительность парадокса близнецов Решение: Ракета – неинерциальная система отсчета (меняет скорость при развороте от Сириуса обратно) Эксперимент – мысленный, в реальности неосуществим. Каждый инерциальный наблюдатель имеет право считать, что часы другого замедлили ход. 102
Бутылка Клейна Поверхность в четырехмерном пространстве, не имеющая краев Пространство Калаби-Яу 103
Модель бутылки Клейна в трёхмерном евклидовом пространстве, • взять бутылку с двумя отверстиями: в донышке и в стенке, • вытянуть горлышко, изогнуть его вниз, • продев его через отверстие в стенке бутылки, плавно без изломов присоединить к отверстию на дне бутылки. 104
Мауриц Эшер 1898 -1972, Нидерланды • Относительность • Автопортрет (1929 г. ) • относительность 105
Предел круга – реализация гиперболического пространства http: //cimroo. ucoz. ru/metod_kopilka/Rastryopina/ proekt/raboty_uch/mir. ppt#262, 26, Форма пространства 106
Эффект патефона Для правильного воспроизведения скорость вращения пластинки должна равняться скорости записи звука С увеличением скорости вращения пластинки частота звука повышается 107
Эффект «красного смещения» При подъеме на башню часы тикают быстрее, чем на Земле Поэтому фотон наверху как бы отстает от них. С «точки зрения часов» , частота фотона уменьшается, т. е. как бы смещается в красную сторону спектра. Часы на Земле настроены в унисон с синим фотоном На самом деле, частота фотона остается прежней. Изменяется темп хода часов. 108
Скачать презентацию Концепция мира событий реализация идеи единства пространства и
3a29085f6709f05fd4fc337b79c12c43.ppt