10435 (Пространственные, временные и массовые масштабы вселенной)

5

Содержание

Введение

1. Общие представления о пространственных и временных характеристиках Вселенной

2. Измерение масс объектов Вселенной

Заключение

Список литературы

Введение

Обычно под пространством (в том числе и космическим) мы понимаем некую протяженную пустоту, в которой могут (но не обязательно) находиться какие-либо предметы. Однако между небесными телами (звездами, планетами, кометами) всегда имеется некоторое количество вещества, поэтому в науке пространство рассматривается не как вместилище материи, а как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой. Каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если эти события произошли в разные моменты времени. Пространство и время тесно связаны с материей, они появляются и исчезают вместе с ней. В связи с этим хочется привести слова А.Эйнштейна по разъяснению им в 1921 г. сути теории относительности: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время». Аналогичный вывод следует и из теории Большого взрыва, объясняющей происхождение нашей Вселенной.

Можно отметить наиболее важные свойства пространства и времени по современным представлениям.

1. Пространство и время реальны и объективны.

2. Пространство и время - это универсальные и всеобщие формы бытия материи.

1. Пространство трехмерно и обратимо, время - одномерно и необратимо.

2. Пространство однородно и изотропно, время - однородно.

Эти свойства пространства и времени нашли отражение в фундаментальных законах сохранения. Симметрии относительно сдвига времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (однородности пространства) соответствует закон сохранения импульса; симметрии относительно поворота координатных осей (изотропности пространства) соответствует закон сохранения момента импульса (или углового момента). Из этих свойств вытекает абсолютность и инвариантность пространственно-временного интервала S.

1. В геометрии Евклида бесконечность и безграничность пространства совпадали. В случае расширяющейся Вселенной она, а, следовательно, и пространство безграничны и бесконечны. В случае сжимающейся Вселенной пространство будет конечным, но безграничным.

2. Пространство и время связаны между собой и образуют четырехмерный мир. Их свойства определяются движущейся материей.

Понятно, что с понятиями пространства и времени связано не менее фундаментальное понятие массы веществ (объектов) Вселенной. В связи с этим целью данной работы будет рассмотрение пространственных, временных и массовых масштабов Вселенной.

1. Общие представления о пространственных и временных характеристиках Вселенной

Одна из важнейших задач естествознания - создание естественно-научной картины мира в виде целостной упорядоченной системы. Для ее решения используются общие и абстрактные понятия: время и пространство. Всеобщими универсальными формами существования и движения материи принято считать время и пространство. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в пространстве и во времени. Особенность естественно-научного представления об этих понятиях заключается в том, что время и пространство можно охарактеризовать количественно с помощью приборов.

Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого процесса или явления. Время - это то, что можно измерить с помощью часов. Принцип работы многих приборов для измерения времени основан на разных физических процессах, среди которых наиболее удобны периодические процессы: вращение Земли вокруг своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и др. Многие крупные достижения в естествознании связаны с разработкой более точных приборов для определения времени. Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя постулат времени кажется естественным и очевидным, его истинность все же относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных часов, поскольку, во-первых, они характеризуются своей точностью и, во-вторых, невозможно создать принципиально одинаковые условия в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественно-научных исследований позволяет не сомневаться в справедливости постулата времени в пределах той точности, которая достигнута в данный момент времени. При создании классической механики около 300 лет назад И. Ньютон ввел понятие абсолютного, или истинного, математического времени, которое течет всегда и везде равномерно, и относительного времени как меры продолжительности, употребляемой в обыденной жизни и означающей определенный интервал времени: час, день, месяц и т.д. В современном представлении время всегда относительно. Из теории относительности следует, что при скорости, близкой к скорости света в вакууме, время замедляется - происходит релятивистское замедление времени, и что сильное поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. В обычных земных условиях такие эффекты чрезвычайно малы. Важнейшее свойство времени заключается в его необратимости. Прошлое во всех деталях и подробностях нельзя воспроизвести в реальной жизни - оно забывается. Необратимость времени обусловлена сложным взаимодействием множества природных систем, в том числе атомов и молекул, и символически обозначается стрелой времени, «летящей» всегда из прошлого в будущее. Необратимость реальных процессов в термодинамике связывают с хаотичным движением атомов и молекул.

Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. В отличие от одномерного времени, реальное пространство трехмерно, т.е. имеет три измерения. В трехмерном пространстве существуют атомы и планетные системы, выполняются фундаментальные законы природы. Однако выдвигаются гипотезы, согласно которым пространство нашей Вселенной имеет много измерений, хотя наши органы чувств способны ощущать только три из них.

Развитие представлений о пространстве и времени прошло длинный и сложный путь. Древнегреческие атомисты Левкипп, Демокрит и Эпикур (V-III вв. до н.э.) считали, что существуют только атомы и чистое пространство (пустота). Аристотель в своем учении (IV в. до н.э.) отвергает существование пустого пространства, аргументируя это различными доводами. Физике понадобилось длительное время, чтобы разобраться в этой аргументации великого философа. Это было сделано Галилеем и Эйнштейном. В «Началах» Евклида (III в. до н.э.) пространственные характеристики объектов приобрели строгую математическую форму, т.е. была определена метрика пространства (плоская метрика). В работе К.Птолемея «Великое математическое построение» («Альмагест») в 150 г. н.э. была представлена геоцентрическая система Мира (в центре Мира находится Земля). В ней пространство считалось конечным: оно включало круговое движение всех небесных тел вокруг неподвижной Земли. Время мыслилось бесконечным. Следующий шаг в развитии представлений о пространстве и времени был сделан Н.Коперником. В его работе «О вращениях небесных сфер» (1543 г.) была дана с соответствующими доказательствами гелиоцентрическая система Мира (в центре Солнце), где признавалась концепция единого однородного пространства (свойства всех точек пространства одинаковы) и равномерного течения времени. Поскольку, по Копернику, Вселенная ограничена непроницаемой твердой сферой звезд, то она является конечной. Конечным является и пространство. Вопрос о том, что находится дальше звездной сферы, Коперником не ставился. Дальнейший импульс развитию представлений о пространстве и Вселенной был дан Джордано Бруно (1548-1600). Развивая учение Коперника, Бруно в своем произведении «О бесконечности Вселенной и мирах» выдвигает смелую идею о бесконечном множестве обитаемых миров. Бесконечная Вселенная расположена в бесконечном и безграничном пространстве, не имеющем «края, предела и поверхности». Работы Г.Галилея (1564-1642) имели больше значение для развития механики. В его принципе относительности утверждается равноправность всех инерциальных систем отсчета и даются математические правила (преобразования Галилея) для перехода от одной системы к другой. При этом координаты, скорость тела и его импульс являются вариантными (изменяющимися) величинами; ускорение, время, масса, длина отрезка при этом переходе остаются неизменными (инвариантными). Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р.Декарта (1596-1650). По Декарту, все явления природы объясняются механическим взаимодействием (давлением или ударом при соприкосновении) мельчайших материальных частиц. Так обосновывалась идея близкодействия. Введя координатную систему, Декарт показал единство физики и геометрии, соединил материальность и протяженность. Это означало отсутствие пустого пространства и совпадение его с протяженностью. Кроме того, по Декарту, материальному миру «соприсуща» длительность, а время - это «способ, каким мы эту длительность мыслим», т.е. время «соприсуще человеку и является модусом мышления». Математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики было сделано И.Ньютоном в его знаменитой работе «Математические начала натуральной философии» (1687 г.). Ньютон характеризует пространство и время «как вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве - в смысле порядка положения». Он вводит два вида пространства и времени: абсолютное (истинное, математическое) и относительное (кажущееся, обыденное). Абсолютное время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год. Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Как видно, разграничение пространства и времени на абсолютное и относительное связано у Ньютона с теоретическим и эмпирическим уровнями познания. Пространство и время у Ньютона обладают одним признаком субстанции - абсолютная самостоятельность существования и независимость от материи и процессов. Но они не обладают другим важнейшим свойством субстанции - порождать другие тела и сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Такой способностью обладает материя. Такое понимание пространства и времени было неоднозначно воспринято современниками и потомками Ньютона - естествоиспытателями и философами. Г.Лейбниц (1646-1716), например, развил реляционную концепцию пространства и времени, в которой они отрицались как абсолютные сущности. Он считал их чисто относительными: «пространство - порядком сосуществования, время - порядком последовательности». Он дальше развивает великолепную идею Аристотеля о связи пространства и времени с материей, о том, что они не могут рассматриваться «в отвлечении» от самих вещей. Это явилось предвосхищением одного из основных положений общей теории относительности А.Эйнштейна. Следующий шаг в развитии представлений о пространстве и времени был сделан в теории электромагнитного поля (1860-1865 гг.) Максвелла. Оказалось, что взаимодействие между зарядами и токами передается с помощью электромагнитного поля, которое распространяется со скоростью света в виде электромагнитных волн. Это сыграло существенную роль для описания физических свойств пространства и времени. В опытах со светом (Майкельсон) было установлено, что скорость света не зависит от движения системы отсчета, а значит, преобразования Галилея для электромагнитных явлений являются неверными. Эти преобразования были найдены Лоренцем, но там оказалось много непонятного: размеры тел сокращались в направлении движения, промежуток времени между событиями сокращался в движущихся системах, масса тел возрастала с ростом скорости их движения. Все эти трудности были объяснены в специальной теории относительности (СТО), разработанной А.Эйнштейном в 1905 г. Это была новая теория пространства и времени. Эйнштейн распространил принцип относительности Галилея на все физические явления и постулировал постоянство скорости света во всех инерциальных системах и ее предельность (самая большая скорость, существующая в природе). Пространство и время оказались относительными, т.е. зависящими от выбора системы отсчета. Вариантными оказались масса тел и их размер, считавшиеся абсолютными в механике Ньютона. Кроме того, пространство и время оказались взаимосвязанными, образуя единый четырехмерный континуум. Абсолютным в СТО оказался, наряду со скоростью света, и пространственно-временной интервал, связывающий пространство и время. Дальнейший этап в развитии представлении о пространстве и времени был связан с разработкой общей теории относительности (ОТО), в которой принцип относительности был распространен на все системы отсчета, т.е. на инерциальные и неинерциальные. Это следовало из эквивалентности инертной и гравитационной массы и было принято А.Эйнштейном в качестве фундаментального закона природы. Оказалось, что свойства пространства зависят от движущейся материи. Ее скопления искривляют пространство, и его метрика описывается не геометрией Евклида, а геометрией Римана. Массивные тела искривляют ход светового луча, уменьшают частоту колебаний, т.е. замедляют ход времени. Это проявляется, в частности, в красном гравитационном смещении: чем больше тяготение, тем больше увеличивается длина волны излучения и уменьшается его частота. При определенных условиях длина волны может устремиться к бесконечности, а частота - к нулю. Это происходит в условиях черной дыры. Таким образом, пространство и время - это не сцена, на которой разыгрываются все события, как полагал Ньютон, и которая остается, даже если исчезает материя.