Физическая природа времени гравитации и материи

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: реферат на тему, курсовые работы бесплатно
| Добавил(а) на сайт: Путилов.

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: