Лекция 5 Пространство и время в современной

Лекция № 5 Пространство и время в современной картине мира 1. Эволюция представлений о пространстве и времени. . 2. Инвариантность. Принципы симметрии и законы сохранения.

1. Эволюция представлений о пространстве и времения

Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени. Концепции пространства и времени прошли длительный путь развития. Уже в древности задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Одни философы отрицали существование пустого пространства, другие, например, ДЕМОКРИТ, понимали пространство как пустоту, необходимую для перемещения материи.

Аристотель критиковал атомистов, признающих пустоту и бесчисленное множество атомов и миров. Он считал, что материя непрерывно и плотно заполняет все пространство. Время Аристотель связывает с движением, оно служит своеобразной мерой движения. Наиболее простым Аристотель считает равномерное круговое движение. Источником всякого движения является «Перводвигатель» .

В доньютоновский период зарождаются представления об однородном и бесконечном пространстве. Первой научной моделью мира была геоцентрическая система ПТОЛЕМЕЯ, которой время было бесконечным, а пространство конечным ( «АЛЬМАГЕСТ» ).

Аристотель (384 -322 до н. э. ) считал, что шарообразная Земля находится в центре мира. Клавдий Птолемей (87165 н. э. ) уточнил систему мира Аристотеля, введя движение планет по кругам – эпициклам, центры которых, в свою очередь, движутся по другим кругам – деферентам – и тем самым объяснил петлеобразное движение планет.

В гелиоцентрической системе мира КОПЕРНИКА ( «ОБ ОБРАЩЕНИИ НЕБЕСНЫХ СФЕР» ) Вселенная представляется бесконечной и все ее точки равноправными. Из множества равноправных точек КОПЕРНИК выбирает одну –СОЛНЦЕ. Такая модель мира могла быть проверена практическими наблюдениями. Принципиальное отличие этой системы мира в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис. пе Ко ик рн

В центре системы мира находится Солнце, вокруг которого вращаются по круговым орбитам шесть планет Солнечной системы.

Основываясь на учении Коперника Джордано БРУНО развивает учение о множественности миров ( « О бесконечности Вселенной и мирах» ). Практическое обоснование выводы Бруно получили в «ФИЗИКЕ НЕБА» И. КЕПЛЕРА и небесной механике ГАЛИЛЕЯ. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.

С созданием классической механики вплоть до конца 19 века в науке господствовала ньютоновская концепция пространства и времени. Пространство рассматривалось как нечто абсолютное, пустое, однородное, оторванное от времени, материальных тел и реальных процессов. Время у Ньютона течет повсюду равномерно само по себе.

Он предлагает различать 2 типа понятий пространства и времени: абсолютные и относительные. Абсолютное, истинное, математическое время протекает равномерно, без всякого отношения к чему-либо внешнему и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся время есть изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности (час, день, год).

Абсолютное пространство по своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему всегда остается одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел.

С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый ЛЕЙБНИЦ. Он отрицал существование пространства и времени как абсолютных сущностей, считал, что они должны рассматриваться в неразрывной связи с материей.

Первая законченная теория пространства – геометрия ЕВКЛИДА. Ньютон положил ее в основу своей механики. В результате отказа от 5 -го постулата евклидовой геометрии (постулат о параллельных) Н. И. ЛОБАЧЕВСКИЙ й создал вски нелинейную гиперболическую аче Лоб действует на геометрию. Она огромных расстояниях, а в малых областях совпадает с евклидовой.

Одновременно к аналогичным идеям пришли венгерский математик Янош БОЯИ (БОЛЬЯЙ) и немецкий математик ГАУСС. Большой вклад в развитие идей о геометрии пространства сделал немецкий математик Бернгард РИМАН. Он развил эллиптическую геометрию и указал на возможность конечного физического пространства. Заслуга его в развитии идеи о соотношении между геометрией и физикой. Он утверждал, что геометрические соотношения тел могут быть обусловлены физическими причинами т. е силами.

Таким образом, к середине 19 столетия математическая мысль пришла от обычного трехмерного евклидового плоского пространства к многомерному искривленному пространству.

Свойства пространства и времени • Пространство – форма сосуществования материальных объектов и процессов. Характеризует структурность и протяженность материальных систем. Всеобщие свойства пространства – протяженность, единство прерывности и непрерывности, однородность, изотропность.

• Важным свойством пространства является его трехмерность. • Предполагают, что при рождении нашей Вселенной существовало 10 – мерное пространство – время. Четыре измерения стали формами бытия на макроскопическом уровне, а 6 – определили структуру микромира.

• Время -форма последовательной смены явлений и состояний материи. Характеризует длительность их бытия. Универсальные свойства времени – длительность, необратимость, однородность.

2. Инвариантность. Принципы симметрии и законы сохранения Очень важным в физике является понятие симметрии, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований.

Неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета(СО) к другой носит название ИНВАРИАНТНОСТЬ. В широком смысле симметрия означает инвариантность свойств системы при некотором изменении ее параметров.

Различают глобальные и локальные симметрии. Глобальные симметрии – это инвариантность основных уравнений теории относительно преобразований, которые одинаково применимы во всех точках пространства и времени. Локальные - это инвариантность основных уравнений относительно преобразований, которые в каждой точке пространства и времени осуществляются независимо друг от друга.

Выделяют также геометрическую и динамическую симметрии. Геометрическая (трансляционная, трансляция – перенос) симметрия выражает свойства пространства и времени (переносы в пространстве, времени, зеркальная, зарядовая симметрии). К динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние.

Например, к динамическим симметриям относятся: - калибровочная симметрия, описывающая четыре типа фундаментальных взаимодействий; изотопическая инвариантность, согласно которой протон и нейтрон – два разных состояния одной частицы(нуклона).

В теоретической физике симметрия физических теорий есть инвариантность основных математических уравнений относительно определенных преобразований СО. Как правило, все физические законы инвариантны относительно сдвига по времени, сдвига в пространстве, относительно поворота системы координат вокруг любой оси в пространстве.

Эти симметрии характеризуют свойства пространства и времени, такие как • Однородность пространства • Однородность времени • Изотропность пространства Однородность пространства заключается в том, что законы природы не зависят от конкретного места пространства, где они проявляются.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми НËТЕР (1882 – 1935). Она доказала, что - Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса; - Из однородности времени – закон сохранения энергии; - Из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

каждому типу симметрии соответствует некоторая сохраняющаяся физическая величина. т. е

• Закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы: энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. • Закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется т. е не изменяется с течением времени.

• Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется т. е не изменяется с течением времени. Момент импульса – величина, характеризующая вращательный эффект силы при действии ее на тело. вектор перемещения ▪ импульс 0

• Закон сохранения массыявляется следствием всеобщего закона сохранения материи и движения. Сформулирован М. В. ЛОМОНОСОВЫМ в 1748 г. Согласно закону сохранения масса поступающих на переработку веществ должна быть равна массе веществ, получаемых в результате проведения процесса

В общем случае происходят необратимые потери вещества. Закон сохранения массы широко используется при составлении материальных балансов. Цель материального баланса – определение расхода сырья, основных и вспомогательных материалов для обеспечения заданной производительности по целевому продукту.