o Время и пространство - всеобщие универсальные формы существования и движения материи
Время o форма последовательной смены явлений и состояний материи, характеризующая длительность их бытия o одно из основных понятий философии и физики, условная сравнительная мера движения материи, а также одна из координат пространствавремени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел.
Свойства времени 1. длительность - последовательность сменяющих друга моментов или состояний 2. неповторимость 3. одномерность 4. необратимость однонаправленное изменение от прошлого к будущему 5. объективность, т. е. независимость от человеческого сознания 6. однородность –свойство времени, по которому законы движения замкнутой системы не зависят от начала отсчета времени
Почему время движется вперед? Стрела времени o Термодинамическая стрела времени возрастание беспорядка или энтропии S o Психологическая стрела времени мы помним прошлое, а не будущее o Космологическая стрела времени направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается o o Необратимость времени символически обозначается стрелой времени. Этот термин был введен в 1928 г. А. Эдингтоном для описания спонтанных характеристик, идущих в одном направлении ( теплопередача, диффузия, распад элементарных частиц и т. п. )
Абсолютное и относительное? o o o При создании классической механики около 300 лет назад И. Ньютон ввел понятие - абсолютного или истинного, математического времени, которое течет всегда и везде равномерно; – относительного времени, как меры продолжительности, употребляемой в обыденной жизни и означающей определенный интервал времени (час, день, месяц и т. д. ).
Время всегда относительно o Из теории относительности следует: o - при скорости, близкой к скорости света в вакууме, время замедляется - происходит релятивистское замедление времени - сильное поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени o ru. wikipedia. org/wiki/%D 0%AD%D 0%B 9% D 0%BD%D 1%88%D 1%82%D 0%B 5% D 0%B 9%D 0%BD, _%D 0%90%D 0%BB %D 1%8 C%D 0%B 1%D 0%B 5%D 1%80 замедление времени из преобразований Лоренса %D 1%82 — автор теории относительности (1921 год) Любые часы будут идти тем медленнее, чем глубже в гравитационной яме (ближе к гравитирующему телу) они находятся
Пространство o выражает порядок сосуществования физических тел o В отличие от одномерного времени, реальное пространство трехмерно Выдвигаются гипотезы, согласно которым пространство нашей Вселенной имеет много измерений (например, 11 мерная супергравитация) , хотя наши органы чувств способны ощущать только три o
Свойства пространства 1. однородность – независимость физических свойств системы и законов ее движения от выбора положения начала координат и неизменность характера протекающих в системе процессов при параллельном сдвиге физической системы в любом направлении 2. изотропность - независимость физических свойств системы и законов ее движения от выбора направления начала координат инерциальной системы отсчета 3. трехмерность - длина, ширина, высота для прямоугольной системы координат 4. объективность, т. е. независимость от человеческого сознания 5. обратимость - в каждую точку пространства можно снова и снова возвращаться. В этом отношении пространство является как бы обратимым.
Пространство характеризуется системой координат Прямоугольная и сферическая системы координат. Точка P в цилиндрических координатах . Точка P имеет три декартовых x, y, z (длина, ширина, высота) координаты и и три сферических координаты расстояние r и углы θ и φ. Точка P даётся как Координата z задаёт высоту точки над плоскостью.
Абсолютное и относительное? o И. Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое существует независимо от находящихся в нем физических объектов и м. б. совершенно пустым Такое идеальное пространство без материальных объектов лишено смысла o Пространство, как и время, относительно
Галилео Галилей Galileo Galilei –создатель принципа относительности для механического движения o o o o Дата рождения: 15 февраля 1564(1564 -02 -15) Место рождения: Пиза, Герцогство Флоренция Дата смерти: 8 января 1642(164201 -08) (77 лет) Научная сфера: философ, физик, астроном, математик Принцип относительности впервые сформулировал Г. Галилей для механического движения: Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму t=t' – длительность событий одинакова во всех системах отсчета Портрет Галилео Галилея (1635) кисти Юстуса Сустерманса
Создание специальной теории относительности (СТО) Альберт Абрахам Майкельсон Гендрик Лоренц Анри Пуанкаре Альберт Эйнштейн o Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики o Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от системы отсчёта. Попытка интерпретировать этот результат вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности. o o
Выводы из анализа преобразований Лоренца o o А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности Г. Галилея на все электромагнитные процессы Х. А. Лоренц предложил преобразование координат и времени, при которых законы природы и скорость света не изменяются Однако, Лоренц не придавали преобразованиям характера общих пространственно-временных закономерностей и связывали их лишь с электромагнитными свойствами вещества и эфира Лоренц отмечал: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего, строго и точно действующего закона» o Из преобразований Лоренца следует, что линейные размеры движущегося тела относительно «неподвижной» системы отсчёта сокращаются: o где — длина вдоль направления движения относительно неподвижной системы отсчёта, а — длина в движущейся системе отсчёта, связанной с телом , o o v –скорость тела, с –скорость света o Длительность событий (∆t) в движущейся системе по отношению к неподвижной также различная Замедление времени o
Специальная теория относительности – теория структуры пространства-времени o СТО (ча стная тео рия относи тельности релятивистская механика) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света o Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета Принцип постоянства (инвариантности) скорости света: Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света Следствие ТО - связь между массой и энергией (уравнение Эйнштейна) : E=mc 2 o o Инерциальная система отсчета система покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно кокой-то другой системы, неподвижной или движущийся прямолинейно и с постоянной скоростью Инерциальная можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета с началом координат в центре Солнца Система отсчета, связанная с Землей, неинерциальная, однако поправки пренебрежительно малы и не учитываются при решении многих задач Постулаты СТО o o o Инвариантность неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой
Итак: Эйнштейн наполняет преобразования Лоренца новым физическим содержанием o o рассматривает сокращение линейных размеров движущихся тел как кажущееся для наблюдателя, относительно которого это тело движется Сокращение линейных размеров тел и замедление длительности временных интервалов – это следствие различных процессов измерения, которыми пользуются разные наблюдатели в различных системах отсчета o Следствия из постулатов принципа относительности: o -чтобы принцип относительности мог выполняться, необходимо, чтобы все законы физики были инвариантны при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую относительно преобразований Лоренца. - преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея при скоростях v<<c (где с – скорость света) o
СТО o o o объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум Пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения Пространственные размеры сокращаются в направлении движения приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается. o o Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света.
Общая теория относительности - теория гравитации (1907 -1915) o o o Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2 g , то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. o В 1921 году
Общая теория относительности - теория гравитации (1907 -1915) o На основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в ОТО инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных o В 1921 году
Общая теория относительности - теория гравитации (1907 -1915) o o o Гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся Эта деформация связана, в частности, с присутствием массыэнергии Масса и энергия изгибают пространство-время В поле тяготения пространствовремя обладает кривизной При переходе к космическим масштабам геометрия пространствавремени может изменяться в зависимости от концентрации масс материальных объектов и их движения o В 1921 году
Искривление пространства массивным телом o o Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это – модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики – модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).
Кривизна пространства-времени o o o Слабой кривизне соответствует ньютоновская гравитация В сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространствавремени становится существенным Вокруг массивного тела при очень большой плотности вещества искривление становится настолько существенным, что пространство-время как бы замыкается локально само на себя, отделяя данное тело от остальной Вселенной и образуя черную дыру, которая поглощает материальные объекты и электромагнитное излучение o Артур Эддингтон показал, что свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО o диск горячей плазмы, вращающийся вокруг чёрной дыры
Различие времени для наблюдателя, находящегося на космическом корабле, и падающего в черную дыру астронавта o o o На поверхности черной дыры для внешнего наблюдения время как бы останавливается Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий» , или просто «горизонтом» черной дыры Сингулярность –точка в пространстве-времени, в которой его кривизна становится бесконечной Сигнал астронавта , посланный в 12. 00 Последний сигнал, посланный в 12. 00, никогда не достигнет космического корабля Астронавт посылает третий сигнал в 11. 59 время Астронавт посылает второй сигнал в 11. 59. 58 Астронавт посылает первый сигнал в 11. 59. 57 пространство
Черные дыры и структура пространства-времени o o Черная дыра- область пространства-времени, из которой ничто, даже свет, не может вырваться из-за очень сильной гравитации. Остатки звезд, масса которых превышает массу Солнца более чем в 2, 1 раза, не могут противостоять сжатию. И превращаются в черные дыры.
Симметрия и асимметрия пространства и времени o o Симметрия - одно из свойств пространства и времени. Это свойство заключается в переходе объектов в самих себя или друг в друга при осуществлении определенных преобразований. Симметричными могут быть вещи, процессы, геометрические фигуры, математические уравнения, живые организмы, произведения искусства и т. д. Преобразования симметрии могут быть и реальными, и мысленными (пространственный сдвиг, вращение, зеркальное отражение в пространстве, зарядовое сопряжение -замена частицы на античастицу).
Свойства пространства-времени и законы сохранения o Для понимания законов природных явлений и процессов введем Принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов q Симметрия : инвариантность структуры, свойств, формы материальных объектов относительно его преобразований q Многообразие форм симметрий кристаллов
Симметрия пространства и времени o o o o Физическое пространство и время o характеризуются тремя основными o типами симметрии: -Однородность пространства, o Однородность пространства: o Изотропность пространства: -Изотропность пространства - Однородность времени Каждому типу непрерывной симметрии пространства и времени o соответствует закон сохранения определенной физической величины Обратное утверждение: Каждый закон сохранения отражает определенный тип непрерывной o симметрии пространства и времени. o эквивалентность (или равноправие) всех точек физического пространства, т. е. параллельный сдвиг физической системы в любом направлении не влияет на характер протекающих в ней процессов соответствует эквивалентности всех направлений в пространстве и симметрии физической системы относительно ее произвольного поворота, который не влияет на процессы, протекающие в системе Однородность времени: отражает симметрию по отношению к сдвигу времени, не влияющему на характер процессов в физической системе, т. е. эквивалентность всех моментов времени
Связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения установила Эмми Нётер o o o Эмми Нётер доказала фундаментальную теорему математической физики Теорема Нётер: Из однородности пространства и времени следуют законы сохранения соответственно импульса и энергии, Из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса Теорема Нётер - важнейший инструмент теоретической физики, утвердивший трансдисциплинарную роль принципов симметрии при построении физической теории Эмми Нётер Amalie Emmy Noether 1882 -1935 выдающийся немецкий математик
Законы сохранения o o o Однородность пространства Однородность Времени Изотропность пространства o Закон сохранения импульса Импульс Р (m • v) замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени q Закон сохранения и превращения энергии Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой q Закон сохранения момента импульса Момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени
Все многообразие физического мираo следствие нарушений определенных видов симметрии
Асимметрия o o В химии и биологии на первый план часто выходит асимметрия как определенное нарушение симметрии, особенно характерное для живых организмов на молекулярном и морфологическом уровнях их структурной организации. Эволюционное развитие материи от простых химических соединений к сложным органическим и биологическим системам обнаруживает общую тенденцию уменьшения степени симметрии и соответственно возрастание асимметрии. o o o В. И. Вернадский видел в симметрии ключ к разделению живой и неживой природы, указывая на то, что правизна и левизна в мире кристаллов не играют принципиальной роли, а для живых организмов наблюдается иная картина. Л. Пастер показал, что в продуктах биохимических процессов преобладают либо правые, либо левые изомеры вещества. В обобщенном виде в биологии установлено, что пространство, занимаемое живым веществом, характеризуется асимметрией.
Скачать презентацию o Время и пространство — всеобщие универсальные
5. Пространство-Время.ppt