Концепции пространства и времени

5  концепции пространства и времени.

5.1  Масштабы пространства и времени.

Если всё то, что нас окружает – материя, то пространство и время – формы её существования. Любое движение происходит в пространстве и времени. Но пространство и время космических масштабов отличается от таковых для мира элементарных частиц примерно в 10⁴² раз. По теории Фридмана оценки дают для Вселенной величины порядка 10²⁶ м и 10¹⁰ лет - это самые большие интервалы, обнаруженные астрономами. В микромире микроскопы, использующие корпускулярные свойства вещества, дают возможность различать объекты размерами ~10^–10 м – размеры атомов (ионный проектор).

Ускорители, разгоняя электроны, позволяют с их помощью различать размеры 10^–18 м – это уже детали строения нуклонов. Использование встречных пучков позволяет различать масштабы пространства до 10^–22 м.

Физики сегодня утверждают о квантовании пространства и времени и по их теориям кванты (порции) пространства ~10^–33 см проявляют себя как целое (без частей). К этому пришли от идеи Планка о квантовании энергии фотонов (hn). Но если есть квант пространства, то, поделив его на скорость света 3 ×10⁸ м/с, мы получим квант времени равный 10^–44 сек («хронон»). Таким образом, мы наблюдаем масштабы пространства от 10²⁶ до 10^-35 м, а времени от 10¹⁸ до 10^–44 сек (для человека ~1 м и ~10⁹ сек).

Вселенная с момента Большого Взрыва возникла из «ничего» – вакуума. Это следует из экспериментального закона Хаббла (1929) о разбегании галактик с тем большей скоростью, чем дальше они от нас находятся и из факта обнаружения в 1963 г. реликтового излучения. Оно до сих пор существует с момента Большого Взрыва. Наше пространство, как это следует из законов Кулона и всемирного тяготения, является трехмерным. Вопрос же о том, каково оно было до Большого Взрыва и какие тогда протекали процессы, остается открытым, как и гипотеза о соприкасающихся мирах. Все имеющиеся данные убеждают нас, что Вселенная расширяется ~20 млрд. лет и что через ~100 триллионов лет ядерное топливо её сгорит, а Вселенная станет темной. Часть галактик, сжавшись, станет черными дырами.

А по теории Великого объединения (один из вариантов космологии) через 10³²–10³⁵ лет протоны распадутся на лептоны (мю-мезоны, электроны и нейтрино) и фотоны, которые стабильны. За 10¹⁰⁰ лет Вселенная по одной из моделей расширится на 10¹¹⁰ км. Похоже, что для последующего сжатия Вселенной массы в ней недостаточно. Вселенная однородна и изотропна. Из этого следуют законы сохранения. А вот время однородно и анизотропно (перенос начало его отсчета ничего не меняет), но не изотропно (почему-то?). Сейчас в «пустом» пространстве вакуум превращается в вещество с выделением энергии.

Теория Фридмана согласуется с другими моделями космологии, однако она не отвечает на вопросы: почему скорость света с = 3×10⁸ м/с, заряд электрона е = 1,6×10^-19  Кл, постоянная Планка h = 6,62×10^-34 Дж×с. Для ответов на эти вопросы наших знаний о Мире недостаточно. При всем многообразии Мира свойства пространства-времени за редкими исключениями остаются неизменными. К примеру, в 1956 г. Ли и Янг показали, что на малых расстояниях теряется различие между правым и левым (четность в слабых взаимодействиях не сохраняется). К тому же мы верим, что видим себя в зеркало, но у нейтрино нет частицы, которая бы была её отражением. Кроме того, по распадам К-мезонов обнаружили, что нельзя не только противопоставлять правое левому, но и прошлое будущему, то есть распад К-мезонов необратим. В микромире могут нарушаться фундаментальные законы сохранения, а потому свойства пространства и времени относительны.

5.2 Принципы относительности.

По Богомолову (1956) даже принцип причинности может нарушаться на расстояниях меньших размера протона. Когда скорость света будет превышена, то причина и следствие сольются. Наиболее общее определение пространства и времени – структура сосуществования и изменения всего материального в Мире.

Рекомендуемые материалы

Ньютон считал время абсолютным, текущим неизменно, безотносительно к чему бы то ни было внешнему. Абсолютное время у него это то, к чему приближается относительное при улучшении наших измерений. Эйнштейн впервые изменил все эти представления о времени в своей специальной и общей теориях относительности. Он предложил модель статической Вселенной, которую опровергли астрокосмолог Фридман и Ле-Метр, введя в модель Эйнштейна временные параметры. Их модель подтвердили Хаббл (разбегание галактик) и открытие реликтового излучения. В теории Эйнштейна предельная скорость равна скорости света в вакууме, то есть с = 299797 » 300000 км/с.

Рассмотрим движение тела вдоль оси «Х» со скоростью J < с и вдоль «– X» направления с той же скоростью. При движение тела вдоль «Х» со скоростью V = с прямолинейно и равномерно ему соответствует на рис.6 прямая ОС, а вдоль оси «– X» – прямая ОА для t ³ 0. При J < с это уже будут линии ОС' и ОС". Очевидно, что движение тела разрешено только в области АОС, где J £ c – это область абсолютного будущего по отношению к событию «О» (в любой инерциальной системе отсчёта). Для них «интервал» равен   – времениподобный (причина и следствие в любой системе отсчета местами не меняются) и все события имеют место в области АОС (рис. 6) – будущее по отношению к событию «О» .

Аналогично в области ДОВ все события в прошлом относительно события «О» .

Для областей АОD и СОВ интервал  – пространственно-подобный. В любой инерциальной системе отсчета событие «О» и любое событие из этой области происходят в разных местах пространства.

Поэтому это области «абсолютно удаленные» по отношению к событию «О» . Здесь понятия «одновременно», «раньше», «позже» – относительные. Для всякого события этой области есть такая система отсчета, где оно происходит позже события «О» и есть система отсчета – где раньше и где одновременно.

Таким образом, в этих областях нет причинноследственных связей и поэтому их называют абсолютно удаленными от нас. Итак, вещество во Вселенной движется по времени подобным линиям в пространственно-временном континууме. Эйнштейн первым понял, что ход времени зависит от выбора системы отсчета и время тоже понятие относительное. Это следует из специальной теории относительности, в основе которой два постулата:

1. Во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково (а значит и скорость света одна и та же). У Галилея речь шла только о механических явлениях;

2. Чтобы не нарушался принцип причинности, то есть причина предшествовала следствию, необходимо, чтобы существовала предельная скорость распространения взаимодействий. Таковой оказалась скорость света (1905). Таким образом, законы Ньютона верны лишь при  << c и получаются все они из теории относительности, когда .

Суть принципа относительности в том, что любую инерциальную систему можно выбрать в качестве неподвижной (ибо все они равноправны). Если взять систему K в качестве неподвижной (рис. 7), а – движущейся вдоль оси «Х» со скоростью J, тогда из постулатов Эйнштейна следует, что штрихованные () и не штрихованные координаты связаны между собой преобразованиями Лоренца:

,

Здесь можно говорить лишь о взаимосвязанных неразрывно пространстве-времени. Отсюда далее получается, что масса движущегося тела m() и масса этого же тела, но находящегося относительно наблюдателя в покое m₀  связаны соотношением .  Если бы скорость сигнала (о результате измерения) была  → ∞, то «одновременности» в одном месте и в разных местах были бы совпадающими. Тогда промежутки времени ∆t и ∆t'  совпадали бы для любых двух событий в любой системе отсчета (как у Ньютона).

Однако,  ≤ c поэтому (а для материи в форме вещества  < c) понятие «одновременность» относительно. То есть ход времени привязан к системе отсчета. Если на ракете K' (рис.7) длительность процесса, произошедшего в одной и той же точке x'  равна ∆t', то наблюдатель в системе К зафиксирует промежуток . Следовательно, на Земле (система K) ∆t > ∆t'.

Точно также из преобразований Лоренца следует, что длина стержня покоящегося в K' (то есть l') связана с его же длиной в системе K (длина l) соотношением . В поперечных направлениях длины не меняются.

Вместе с этой лекцией читают "1.2 Подходы к определению понятия культура".

Из этих же преобразований получается закон сложения скоростей U – вдоль оси x и U' – вдоль оси x':

,  

Отсюда при U' = c получаем U = c, а, к примеру, при U' = 0,9c и = 0,5c, ,

 U = 0,97c < c, как и должно быть.

Импульс . Основное уравнение движения имеет вид ,  а из этого следует, что «полная» энергия,тогда кинетическая энергия в специальной теории относительности определяется разностью полной энергии "Е" и энергии покоя "Е₀"– покоящегося тела E_k = E - E₀, где.

Таким образом, релятивистский подход принципиально изменил концепцию о пространстве-времени.