Пространство это в физике кратко
Обновлено: 02.07.2024
Рассматриваются в физике и ряд пространств, которые занимают как бы промежуточное положение в этой простой классификации, то есть такие, которые в частном случае могут совпадать с обычным физическим пространством, но в общем случае — отличаться от него (как, например, конфигурационное пространство) или содержать обычное пространство в качестве подпространства (как фазовое пространство, пространство-время или пространство Калуцы).
В теории относительности в её стандартной интерпретации пространство [2] оказывается одним из проявлений единого пространства-времени, и выбор координат в пространстве-времени, в том числе и разделение их на пространственные и временную, зависит от выбора конкретной системы отсчёта [3] . В общей теории относительности (и большинстве других метрических теорий гравитации) в качестве пространства-времени рассматривается псевдориманово многообразие (или, для альтернативных теорий, даже что-то более общее) — более сложный объект, чем плоское пространство, которое может играть роль физического пространства в большинстве других физических теорий (впрочем, практически у всех общепринятых современных теорий есть или подразумевается форма, обобщающая их на случай псевдориманова пространства-времени общей теории относительности, являющейся непременным элементом современной стандартной фундаментальной картины).
Одним из постулатов любой физической теории (Ньютона, ОТО и т. д.) является постулат о реальности того или иного математического пространства (например, Евклидова у Ньютона).
См. также
Напишите отзыв о статье "Пространство в физике"
Примечания
Литература
: неверное или отсутствующее изображение
- Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей.
- Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники, подтверждающие написанное.К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)
Отрывок, характеризующий Пространство в физике
Весь этот день 25 августа, как говорят его историки, Наполеон провел на коне, осматривая местность, обсуживая планы, представляемые ему его маршалами, и отдавая лично приказания своим генералам.
Первоначальная линия расположения русских войск по Ко лоче была переломлена, и часть этой линии, именно левый фланг русских, вследствие взятия Шевардинского редута 24 го числа, была отнесена назад. Эта часть линии была не укреплена, не защищена более рекою, и перед нею одною было более открытое и ровное место. Очевидно было для всякого военного и невоенного, что эту часть линии и должно было атаковать французам. Казалось, что для этого не нужно было много соображений, не нужно было такой заботливости и хлопотливости императора и его маршалов и вовсе не нужно той особенной высшей способности, называемой гениальностью, которую так любят приписывать Наполеону; но историки, впоследствии описывавшие это событие, и люди, тогда окружавшие Наполеона, и он сам думали иначе.
Наполеон ездил по полю, глубокомысленно вглядывался в местность, сам с собой одобрительно или недоверчиво качал головой и, не сообщая окружавшим его генералам того глубокомысленного хода, который руководил его решеньями, передавал им только окончательные выводы в форме приказаний. Выслушав предложение Даву, называемого герцогом Экмюльским, о том, чтобы обойти левый фланг русских, Наполеон сказал, что этого не нужно делать, не объясняя, почему это было не нужно. На предложение же генерала Компана (который должен был атаковать флеши), провести свою дивизию лесом, Наполеон изъявил свое согласие, несмотря на то, что так называемый герцог Эльхингенский, то есть Ней, позволил себе заметить, что движение по лесу опасно и может расстроить дивизию.
Осмотрев местность против Шевардинского редута, Наполеон подумал несколько времени молча и указал на места, на которых должны были быть устроены к завтрему две батареи для действия против русских укреплений, и места, где рядом с ними должна была выстроиться полевая артиллерия.
Отдав эти и другие приказания, он вернулся в свою ставку, и под его диктовку была написана диспозиция сражения.
Диспозиция эта, про которую с восторгом говорят французские историки и с глубоким уважением другие историки, была следующая:
«С рассветом две новые батареи, устроенные в ночи, на равнине, занимаемой принцем Экмюльским, откроют огонь по двум противостоящим батареям неприятельским.
Разные дисциплины дают различные определения пространства. Самое простое и в то же время понятное определение называет пространством место, в котором что-либо вмещается, а также расстояние между предметами.
Пространство в математике - это множество некоторых математических, то есть абстрактных, объектов с правилами работы с ними и набором аксиом, которым эти правила должны подчиняться. Понятие "пространство" в математике обычно используется с уточняющим его прилагательным словом.
Пространство в физике (или пространство-время) точного определения до сих пор не имеет. Некоторые вообще считают, что ни пространства, ни времени не существует. Все это выдумки ученых. Но т.к. физика строит свои физические модели используя математику, то и определение "пространства" в ней должно совпадать с математическим. Чаще всего под "физическим пространством", точнее, ее моделью, подразумеваются евклидовы, римановы, абелевы и другие топологическое метрическое пространства.
Пространство в философии - это фундаментальное (наряду с временем) понятие человеческого мышления. Но соответствует ли этому понятию нечто реально существующее (субстанция) философы не знают.
Классическая механика в качестве математической модели физического пространства использует 3-мерно евклидово пространство. Обратите внимание – в качестве модели. Это пространство имеет три независимых направления. Это, например, ширина, высота и глубина. И, конечно, обратные к ним направления. Является ли это евклидово пространство реальным физическим пространством? Конечно, нет, но на нее хорошо ложатся наши представления о реальном физическом пространстве.
Но не все с физическим пространством. Описание физической реальности на этом не заканчивается. Здесь проявляется то самое, физическое. То самое, что изучает и старается объяснить физика. Кроме пространства, как мы все догадываемся, еще имеется материя . А пространство – всего лишь вместилище для нее. Кстати, в Общей теории относительности Эйнштейна и материя тоже описывается как свойство пространства.
Но в классической механике материя и пространство-время разделены - материя описывается через материальные функции. Опять математика! Никуда от нее не деться. Многим в интернет-форумах так не нравится математика да и физика с ее абстрактными математизированными теориями тоже. Они считают, что все это выдумки ученых,"заговор" с целью "одурманить" народ, и т.д. и т.п. …
Если роль пространства в физике – "вместить" материю, то роль времени в физических моделях – динамическая. А динамика – это изменение. Последовательное изменение состояния материи во времени. И закономерное, а не произвольное. В этом смысл существования. Здесь появляются координаты, скорости, ускорения, силы. А также "материальные точки" с массами, "сплошные среды" с плотностью, физические "силовые поля" с напряженностями и т.д.
Есть два способа описать материю и пространство-время.
Первое – через понятие "материальная точка" и "системы материальных точек". В этом случае в качестве вмещаемой в пространство материи выступает "материальная точка" с определенной массой ( зарядом, …)., а описание ее состояния во времени, т.е. "динамика", осуществляется через задание ее координат во времени:
Как вы, надеюсь, догадались, r ⁱ - это координаты, t – это время. Все в школе изучали алгебру, и эта форма записи должна быть понятна. В математической модели конкретные обозначения координат могут быть разными. Например, как множество , а можно и так: и расписывать формулу (1) по всем трем координатам, можно в экономной индексной форме – как я записал выше. В четырехмерных физических теориях координате "время" могут присвоить индекс "0", а само множество координат обозначить как q ⁱ - , что эквивалентно записям или .
Вторая форма предполагает, что в каждой точке пространства существует вещество с определенной плотностью r(r). А описание в динамике предполагает, что плотность меняется во времени:
Здесь мы подошли непосредственно к первой цели статьи – описанию самого пространства, его свойств. Думаю, многие согласятся, что различные пространства отличаются друг от друга своими свойствами. Кто не согласен, приведу очевидное свойство пространств – ее размерность.
Галилеево пространство
Так вот, пространство классической механики является плоским евклидовым пространством размерности три. Дополнительно к трем пространственным размерностям вводится еще одна координата (или направление) – время. Совместно эти четыре координаты определяют галилеево пространство. Но, конечно, между тремя пространственными и четвертым временным направлениями имеется большая разница. Это видно даже в единицах их измерения – "метры" и "секунды". Их путать никак нельзя.
Свойства трех пространственных направлений полностью соответствуют тем, что мы знаем из школы и изучали (кто как) на уроках геометрии (планиметрии). Также пользовались этим пространством, только двухмерным, на уроках рисования, черчения. Рисовали на асфальте. Не буду расписывать все его свойства. Но основные – это 1) свойство однородности, 2) изотропности 3) симметричность относительно инверсия координат (зеркальной симметрии). Первое свойство в применении к модели реального пространства означает, что законы физики одни и те же во всех уголках нашей Вселенной. Второе свойство означает, что свойства пространства не зависят от направления (ориентации). Третье свойство означает, что законы физики не изменятся также при зеркальном отражении пространства.
Точно такими же свойствами обладает и временное направление. Первое - законы физики одни и те же во Вселенной в прошлом, настоящем и будущем. Второе и третье свойства означают , что свойства пространства не зависят от направления "прошлое" или "будущее". Это свойство называется "обратимостью".
Но здесь есть некоторая сложность. Если в пространстве непрерывным поворотом системы координат разные направления можно совместить: r -> -r, то здесь нет непрерывного отображения t -> -t. В применении к реальности у этого свойства есть ограничения.
Замечание. В классической механике (физике) они определяются законом сложных систем и больших чисел, а в современной квантовой физике существует фундаментальное ограничение на применение этого закона даже для простых и единичных систем.
Еще одно, фундаментальное свойство физической реальности, а не просто галилеева пространства – движение материи во времени и пространстве происходит в соответствии с точными законами. Это означает, что если, зафиксировав состояние материи в любой момент, можно проследить ее истории как в будущем, так и в прошлом с абсолютной точностью. Термином, обозначающим это свойство, является слово "детерминизм".
Еще одно свойство относится к объединенному четырехмерному пространству-времени (и это свойство каким то образом может оправдывать использование четырехмерных моделей пространства-времени с четырьмя равноправными координатами. Но к классической механике это можно отнести с большим трудом). А именно, оно формулируется так: "Все инерциальные системы отсчета равноправны". Инерциальными системами отсчета (или ИСО) называются системы отсчета, движущиеся друг относительно друга прямолинейно и равномерно.
Равноправность означает, что в природе нет выделенных систем отсчета и законы природы выполняются одинаково во всех ИСО - и движущихся, и не движущихся. Точнее, невозможно даже определить, в каком состоянии - состоянии движения или покоя – находится конкретная ИСО. Можно определить только их взаимное движение.
Преобразования галилеева пространства
В математической модели такие галилеевы системы отсчета получаются с помощью так называемых галилеевых преобразований координат:
Здесь t₀ – смещение временной координаты (однородность времени),
r₀ - смещение пространственной координаты (однородность пространства),
w - функция поворота координатных осей (изотропность пространства).
Изотропность пространства и времени формулируется через коэффициент k = ±1 в уравнениях (3).
Если хотите узнать, что обозначает слово или словосочетание, в ОПЕРЕ выделите это слово(сочетание), нажмите правую клавишу мыши и выберите "Искать в . ", далее - "Yandex". Все! О-ля-ля!
Разные дисциплины дают различные определения пространства. Самое простое определение называет пространством место, в котором что-либо вмещается, а также расстояние между предметами. Математика определяет его как среду, в которой осуществляются различные объекты и предметы. Физика рассматривает пространство как бесконечную и неизменную субстанцию, которая не проявляется материально и является ареной для различных процессов и явлений. Для философии пространство является одной из фундаментальных категорий, неотъемлемо связанной со временем и определяется как отношение между различными объектами, их взаимоположение, связь в конкретный период времени.
Приветствую Вас! Я занимаюсь традиционной Дестрезой (Испанская школа фехтования) и ее. · 12 апр 2019 · destreza.one
Пространство - это тот объем, котрым вы можете управлять, котрый вам принадлежит. Например, квартира по документам принадлежит вам, но фактически нет. Т.к. вы ее не строили и случись форс-мажор потеряете, вы этим не управляете, вам дали ее попользоваться, вам отключат свет-воду-тепло и все. Вы сами не регулируете эти моменты - вам дали этим попользоваться. Но то, что. Читать далее
Чем активнее учёные пытаются разобраться в устройстве пространства и времени, тем запутаннее все становится. Но и интереснее — тоже!
С точки зрения физики, исследуя ничтожно малое пространство, мы увидим, что оно состоит из квантов. Но что это за кирпичики?
Люди, как правило, воспринимают пространство как нечто само собой разумеющееся. Ну, в самом деле: это просто-напросто пустота, фон для всего остального. Время тоже простая штука: беспрестанно тикает и тикает. Однако, если физики, долгие годы бившиеся над объединением их фундаментальных теорий, и сумели извлечь из этого хоть что-то полезное, так это то, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными.
Продвинуться далеко Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. В горячих спорах упускают из виду важную истину: все конкурирующие версии говорят о том, что пространство происходит от чего-то более глубокого. Эта идея идёт вразрез с 2500-летним опытом научного и философского осмысления пространства.
Вглубь чёрной дыры
Проблему, стоящую перед физиками, прекрасно иллюстрирует обычный магнит. Он легко поднимает с пола скрепку, несмотря на гравитацию целой планеты Земля. Гравитация слабее магнетизма, электрических и ядерных связей. Какими бы ни были квантовые эффекты, они чрезвычайно слабы. Единственное осязаемое свидетельство того, что они всё же существуют, — это пёстрый узор ранней Вселенной, который, как полагают, не мог появиться без участия квантовых флуктуаций гравитационного поля.
На подступах к чёрной дыре материя не настолько сжата и гравитация не настолько сильна, чтобы не работали известные нам законы физики. Однако они, как это ни странно, не работают. Границей чёрной дыры является горизонт событий, рубеж невозврата: материя, которая сюда попадает, вернуться не может. Спуск в дыру необратим, и это — физическая проблема, ибо все известные ныне законы фундаментальной физики, в том числе квантовой механики в её обычной интерпретации, обратимы. У вас должна быть, по крайней мере, принципиальная возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.
Над проблемой равновесия чёрных дыр физики-теоретики бьются уже почти полвека. В середине 1970-х годов недавно почивший Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из Кембриджского университета (University of Cambridge) сделал огромный шаг вперёд: изучая с помощью квантовой теории поле излучения вокруг чёрных дыр, он показал, что температура этих объектов не является нулевой. В таком случае, они не только поглощают, но и излучают энергию. Хотя благодаря Хокингу чёрные дыры прописались в термодинамике, проблема необратимости усугубилась. Излучение чёрной дыры не несёт никакой информации о том, что у неё внутри. Это случайная тепловая энергия. Если, запустив данный процесс в обратном порядке, вы вернёте дыре её энергию, то поглощённая ею материя не выскочит назад; вы просто получите больше тепла. И нет оснований считать, будто попавшие в дыру материальные предметы всего лишь заперты в ней, но продолжают существовать, ибо, излучая, дыра сжимается и, согласно расчётам Хокинга, в конце концов неминуемо исчезает.
Эту проблему называют информационным парадоксом, так как чёрная дыра съедает ту информацию о поглощённых ею частицах, с помощью которой вы могли бы обратить их движение вспять. Если физика чёрных дыр действительно допускает обратимость любого процесса, то что-то должно нести информацию из этих дыр, и, чтобы так оно и было, возможно, нашу концепцию пространства-времени следует изменить.
Атомы пространства-времени
Тепло — это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы — в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра — это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.
Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.
Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10 −35 метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета — точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.
Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, — это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.
Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, — а с этим согласны многие физики-теоретики, — то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.
Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это — кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это — родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной — нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это — особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это — события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще — по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.
Запутанные сети
Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противоположных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.
В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации — и, прежде всего, теория струн — отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства — по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это — запутанность.
По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл (Brian Swingle), ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации — то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, — вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз — чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.
Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спиридон Михалакис (Spyridon Michalakis) и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.
Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время — основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, — это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.
Читайте также: