Пространство и время в классической физике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Живые организмы и их сообщества живут на нашей планете в пространстве и во времени.

И. Ньютон ввёл в науку понятие абсолютного пространства. Согласно представлениям учёного, абсолютное пространство остаётся всегда неподвижным и одинаковым. Оно существует само по себе, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, например к тем телам, которые в нём находятся.

Абсолютное пространство является однородным, изотропным и евклидовым.

Однородность пространства означает, что все его точки равноправны, поэтому результаты какого-либо эксперимента не зависят от выбора места его проведения при одинаковых начальных условиях.

Изотропность пространства означает, что при повороте выбранной системы отсчёта на некоторый угол не произойдёт изменений в результате измерений. Иными словами, в пространстве нет какого-то выделенного направления, все направления равноправны.

Если пространство является евклидовым, это означает, что оно не искривлено и при изучении движения можно использовать прямоугольную систему координат.

Вместе с понятием абсолютного пространства Ньютон ввёл понятие абсолютного времени, наделённого свойством однородности. Однородность времени означает, что все моменты времени равноправны, поэтому результаты эксперимента не зависят от выбора времени его проведения при одинаковых начальных условиях.

Время в классической физике существует само по себе, отдельно от пространства и любых материальных объектов. Время как длительность одинаково определяет ход процессов в мире. Все они, независимо от их сложности, не оказывают никакого влияния на ход времени.

Развитие механики довольно тесным образом взаимосвязано с определенными представлениями о пространстве и времени. В рамках современной физики законы классической механики сформулированы как справедливые в отношении всего класса инерциальных систем.

Рисунок 1. Пространство и время в классической механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Однако в период обоснования классической механики ее создатели постоянно задавались вопросом существования инерциальных систем в принципе. Так, если допустить присутствие хотя бы одной такой системы, то можно предположить и существование бесчисленного множества таковых во Вселенной, поскольку любая движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной система также будет являться инерциальной.

Понятие пространства и времени

Рисунок 2. Представления о пространстве в классической механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Согласно утверждениям ученых, на Земле с определенной степенью точности соблюдается принцип инерции, однако, наряду с тем, наша планета представляет собой неинерциальную систему, поскольку совершает два типа вращения: вокруг Солнца и собственной оси. При этом физики исключают существование связанной с Солнцем инерциальной системы, что объясняется фактом вращения Солнца вокруг центра Галактики.

При этом проблемой ученых встал поиск ответа на вопрос: если ни одна действительная система отсчета не является строго инерциальной, не теряют ли при этом свою актуальность основные законы механики? Поиски ответа на данный вопрос и привели к формированию понятия абсолютного пространства.

Готовые работы на аналогичную тему

Пространство и время – это определенные субстанции с самостоятельным существованием и не связанные с материальными телами.

Пространство, таким образом, представляется в формате совершенно неподвижного, а взаимосвязанная с ним система отсчета — строго инерциальной. Основные свойства времени и пространства находят свое главное отражение в преобразованиях Галилея, которые характеризуются следующим образом:

Пространственные и временные координаты включены в уравнения неравноправно.
Пространственная координата в движущейся системе будет зависимой как от пространственной, так и от временной координаты в неподвижной системе, а временная – исключительно от временной координаты в неподвижной, что исключает ее связь с пространственными.
Время, таким образом, воспринимается как некая совершенно самостоятельная субстанция в отношении пространства.

Проблема пространства и времени в классической механике

Рисунок 3. Пространство и время в классической механике и СТО. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Проблема времени и пространства была тесным образом связана с концепциями дальнодействия и близкодействия. Дальнодействие представлялось учеными в качестве мгновенного распространения гравитационных и электрических сил сквозь абсолютное пустое пространство, где силы обретают свою конечную цель благодаря бесконечному источнику Вселенной.

В то же время концепцию близкодействия такие ученые, как Гюйгенс, Френель и Фарадей, связывали с восприятием пространства в формате протяженности вещества и эфира, где распространение света осуществляется с конечной скоростью в форме волн.

В более современном варианте понимание пространства и времени сформулировал в своей теории относительности А. Эйнштейн, предложивший новую интерпретацию реляционной концепции пространства и времени с естественнонаучным обоснованием.

Реляционная концепция времени и пространства получила последующее развитие и в работах А. Эйнштейна, где он распространил физический принцип относительности также и на неинерциальные системы. Поэтому, при создании теории для неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн разработал общую теорию гравитации. Так, создающие сильные гравитационные поля объекты провоцируют искривление пространства, делая его неевклидовым и способствуя замедлению течения времени.

Таким образом, чем сильнее гравитационное поле, тем более медленно в нём протекает время, если сравнить с временем за пределами поля. Данные эффекты позднее были подтверждены в экспериментах с искривлением луча света вблизи солнца.

В 20 веке, таким образом, побеждает диалектико-материалистический подход к проблеме существования пространства и времени. Так, представление единого для всей Вселенной абсолюта заменяется версией о бесконечном количестве материальных тел, с каждым из которых у пространства и времени существует отдельная взаимосвязь. Это, в свою очередь, исключает существование времени и пространства отдельно от материи и дает представление о характере данных понятий как материальных процессов и форм существования материи.

Основные концепции пространства и времени

До 1915 г. пространство и время воспринимались в качестве некой зоны, исключающей влияние на нее всех происходящих в ее пределах процессов и событий. Тела перемещались, силы в то же время отталкивали и притягивали, однако время и пространство продолжали оставаться неизменными.

В теории Эйнштейна пространство и время представляются динамическими величинами в рамках процесса с движением тела и действия силы, провоцирующих изменение кривизны времени и пространства. При этом структура пространства-времени оказывает непосредственное воздействие на характер перемещения и действия сил.

В основе пространственно-временных свойств тела, в зависимости от скорости его передвижения, лежат следующие постулаты:

Принцип относительности, согласно которому все законы природы считаются одинаковыми во всех инерциальных системах. Эйнштейн, таким образом, расширяет принцип относительности Галилея.
Принцип постоянства скорости света, по которому скорость света равноправна во всех инерциальных системах отсчета и не является зависимой от направления распространения света от наблюдателя.
Отказ от представления эфира в виде постоянной точки отсчета. Все системы отсчёта при этом признаются равнозначными. Относительность подразумевает одинаковость всех систем отсчета и исключает систему-эталон.

Пространство и время не являются абсолютными, другими словами, они полностью зависимы от материальных объектов, находящихся в них. Специальная теория относительности демонстрирует тесную связь между собой пространства и времени. В ходе данных исследований природа стала рассматриваться в форме организма, в рамках которого наблюдается непосредственная взаимосвязь всех систем, то есть их зависимость друг от друга.

Пространство и время проявляются исключительно в виде свойства гравитационного поля, причем данное поле представляет собой искривленное, неевклидовое образование. Искривление определяется материей, движение тел при этом описывается, исключая гравитационные силы. При малых скоростях сложные уравнения теории относительности становятся обычными уравнениями Ньютона, а четырехмерное пространство и время превращается в плоское.

Принцип относительности классической механики. Понятия пространства и времени, выработанные в классической физике, представляют, с одной стороны, результат обобщения повседневного опыта, с другой — следствие научного анализа простейших механических движений.

Развитие механики поэтому теснейшим образом связано с определенным пониманием пространства и времени.

Основным законом классической механики является второй закон Ньютона, связывающий силу, действующую на тело, с приобретаемым

телом ускорением: F= т ¦ Для описания механического движения,

следовательно, необходимо измерение координат движущегося тела, что требует введения понятия тела отсчета, с которым связывается система координат, образуя систему отсчета. Встает естественный вопрос: для всякой ли системы отсчета будет справедлив основной закон механики?

Системы отсчета могут находиться в различных состояниях: они могут покоиться, двигаться равномерно и прямолинейно или, наконец, двигаться ускоренно одна относительно другой. Если две системы отсчета покоятся относительно друг друга, то это означает, что они представляют физически одну и ту же систему — различие между ними сводится к чисто геометрическому переносу начала координат. Поэтому остаются два физически различных типа систем отсчета: инерциальные системы (движущиеся равномерно, прямолинейно относительно друг друга) и неинер- циальные (движущиеся с ускорением). Для последних приведенная формулировка второго закона Ньютона не сохраняется. При переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся ускоренно по отношению к первой, появляются добавочные силы, так называемые силы инерции.

В инерциальных системах отсчета переход от одной системы к другой не меняет вида второго закона Ньютона — он справедлив для всех систем. Приведенное утверждение составляет содержание принципа относительности классической механики, или принципа относительности Галилея.

Этот принцип утверждает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета: состояние равномерного, прямолинейного движения никак не сказывается на происходящих в системе механических процессах и никакими механическими экспериментами, проводимыми внутри системы, нельзя определить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.

Поиски ответа на этот вопрос и привели к понятию абсолютного пространства. Оно представлялось совершенно неподвижным, а связанная с ним система отсчета — строго инерциальной. В связи с этим предполагалось, что по отношению к абсолютному пространству законы механики и выполняются совершенно строгим образом.

Преобразования Галилея и пространственно-временные представления классической физики. Принцип относительности Галилея, с одной стороны, опирался, а с другой — требовал вполне определенных представлений о пространстве и времени. Чтобы сделать это обстоятельство вполне ясным, мы дадим сейчас более строгую формулировку принципа относительности.

Переход от одной инерциальной системы к другой представляет собой некоторое преобразование координат, получившее название преобразований Галилея, и принцип относительности классической механики может быть математически строго сформулирован как принцип ковариантности1 законов механики относительно преобразований Галилея.

Пусть мы имеем две системы отсчета К и К', движущиеся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Примем, что система /Г неподвижна, а система ^'движется относительно К со скоростью v. Оси координат в обеих системах можно считать параллельными, а начала координат — совпадающими в начальный момент времени t = 0 (если эти условия не выполнены, то систему можно преобразовать чисто геометрически путем поворота осей и переноса начала координат) (см. рис. 1). Для простоты мы изображаем на рисунке лишь две оси. Выразим координаты материальной точки А в системе К'через ее координаты в системе К. (На рис. 1 координаты уи z вообще не меняются: у' = у; z' = z¦) Что касается координаты х', то х' = х — 00'.

Но 00'— это расстояние, пройденное системой К'со скоростью v за время t, протекшее с начального момента, когда 0 и 0' совпадали, т.е. 00' — vt. Следовательно, х' = x—vt. К этим трем уравнениям (уже в период возникновения теории относительности) было добавлено уравнение t'= t. У Галилея это уравнение не фигурировало явно, ибо казалось настолько самоочевидным, что формулировать его никому не приходило в голову.

Итак, полная система преобразований Галилея выглядит следующим образом:

х'=х — vt; z' = Z, y' = y;f = t.

По отношению к этим преобразованиям законы механики ковари- аптны, в чем и находит свое выражение принцип относительности классической механики.

Формирование механики достаточно плотно взаимно связано с некоторыми взглядами о понятии пространство-время. В пределах нынешней науки законы традиционной механики формулируются как правильные относительно всей категории инерциальных структур.

Но во время формирования традиционной механики ее основатели всегда ставили перед собой вопрос факта присутствия инерциальных систем. Таким образом, если предположить существование как минимум одной аналогичной системы, то возможно предвидеть и присутствие многочисленного количества данных систем во Вселенной, так как всякая перемещающаяся равномерным и прямолинейным образом система по отношению этой системы тоже будет считаться инерциальной.

Представление пространства и времени

Пространство в традиционной механике является евклидовым, абсолютным, однородным и изотропным. Время в традиционной механике является абсолютным, а также однородным. В то же время, в традиционной механике пространство и время считаются независимыми друг от друга.

В соответствии с высказываниями физиков, на нашей планете с некоторым уровнем точности выполнятся принцип инерции, но, вместе с этим, Земля является неинерциальной системой, так как осуществляет два вида вращательных движений. Она вращается вокруг Солнца, а также вокруг своей оси. Вместе с тем ученые не принимают во внимание присутствие взаимосвязанной с Солнцем инерциальной структуры. Это выражается реальностью вращательного движения Солнца около галактического центра.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Вместе с тем задачей у физиков возник поиск решения на вопрос: если никакая фактическая система координат не считается четко инерциальной, не утрачивают ли в это время собственную значимость ключевые законы механики? Поиски решения на этот вопрос и обусловили основание термина абсолютного пространства.

Пространственные и временные значения являются конкретными субстанциями с индивидуальным присутствием, а также не взаимосвязанные с физическими объектами.

Пространство, следовательно, является полностью неподвижным, и взаимно связанная с ним система координат есть четко инерциальной. Ключевые характеристики пространственных и временных значений определяют собственное основное выражение в положениях Галилея, характеризующиеся последующим образом:

Координаты пространственных и временных значений заключены в формуле неравноправным образом.
Координаты пространства в перемещающейся системе будет зависеть как от пространственной, так и от временной координаты в недвижимой системе. В свою очередь, координата времени будет зависеть только от временной координаты в недвижимой системе. И это является исключением ее взаимосвязи с пространственными координатами.
Следовательно, время рассматривается как некоторая вполне самостоятельная субстанция относительно пространства.

Проблемный вопрос пространства и времени в традиционной механике

Проблемный вопрос пространства-времени был плотным образом взаимосвязан с системами дальнодействия и близкодействия. Дальнодействие рассматривалось физиками в роли моментального распределения гравитационных и электрических сил через полностью пустое пространство. Здесь силы приобретают собственную окончательную цель с помощью беспредельного ресурса Вселенной.

Одновременно систему близкодействия некоторые ученые относили к осознанию пространства в виде расположенности вещества и эфира, где передача светового излучения выполняется с окончательной скоростью в виде волны. К таким ученым относятся голландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель Христиан Гюйгенс ван Зейлихем, французский физик Огюстен Жан Френель, а также английский физик-экспериментатор и химик Майкл Фарадей.

В наиболее современной вариации понятие пространства и времени описал в собственной теории относительности Альберт Эйнштейн. Он предложил новое объяснение реляционной системы пространства и времени с научным доказательством.

Реляционная система времени и пространства была развита в следующих трудах Альберта Эйнштейна, в которых он распределил физический принцип относительности, в том числе, и на неинерциальные системы. По данной причине, при разработке теории относительности для неинерциальных систем координат, Альберт Эйнштейн создал всеобщую теорию гравитации.

Таким образом, возникающие мощные гравитационные поля объекты порождают искривление пространства, задавая его неевклидовым, а также благоприятствуя затормаживанию течения времени. Так, чем мощнее гравитационное поле, тем медленнее в нем проистекает время, если производить сравнения с временем за границами поля. Эти результаты в будущем подтвердились в экспериментальных опытах с искривлением светового луча поблизости солнца. Следовательно, в XX столетии одерживает победу диалектико-материалистический подход к вопросу существования пространства и времени.

Следовательно, образ единой для всей Вселенной первоосновы изменяется модификацией о безграничном числе физических объектов, со всеми, из которых у пространства и времени действует определенная взаимная связь. Это, равным образом, приводит к исключению пребывания пространства и времени самостоятельно от материи и предоставляет понимание о свойствах этих понятий как физических явлений и форм существования материи.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Ключевые системы пространства и времени

До 1915 года пространство и время рассматривались в роли некоторой зоны, которая исключает воздействие на нее любых возникающих в ее границах явлений и процессов. Объекты передвигались, силы при этом отталкивали и притягивали, но пространство и время оставались постоянными.

В теории относительности Альберта Эйнштейна пространство и время представлены динамическими значениями в пределах явления с перемещением объекта и воздействия силы, которые провоцируют преобразование кривизны пространства и времени. В то же время, система пространства-времени непосредственно воздействует на свойства передвижения и воздействия сил.

В основании пространственно-временных характеристик объекта, в зависимости от скорости его перемещения находятся такие положения:

Принцип относительности, в соответствии с которым все природные законы являются идентичными в каждой инерциальной системе. Альберт Эйнштейн, соответствующим образом, производит расширение положение относительности Галилея.
Принцип неизменности скорости света, благодаря которому скорость света полноправна в любой инерциальной системе координат, и не считается, что она зависит от ориентира передачи света от созерцателя.
Отрицание от изображения эфира в формате устойчивой точки отсчета. В то же время, каждая система координат считаются равноценными. Относительность предполагает одинаковость каждой системы координат и осуществляет исключение эталонной системы.

Пространство и время не считаются абсолютными, иначе говоря, пространство и время в полной мере находятся в зависимости от физических тел, которые находятся в них. Специальная теория относительности показывает плотную взаимосвязь меж собой пространственных и временных значений. В процессе этих анализов и рассмотрений природная среда стала исследоваться в виде организма, в пределах которого просматривается прямая взаимная связь каждой системы, т.е. зависимость всех систем одна от другой.

Пространственные и временные показатели выражаются только в форме параметров гравитационного поля. К тому же, гравитационное поле является искривленным, неевклидовым формированием. Искривление устанавливается материей, перемещение объектов, в то же время, представляется, исключая гравитационные силы. При небольших скоростях непростые формулы СТО стают обыкновенными ньютоновскими формулами, а четырехмерное пространство и время преобразовывается в плоское пространство и время.

Что такое пространство и время. Понятие о теории относительности

Механика изучает законы движения (перемещения) и взаимодействия тел. Эти законы являются обобщением наблюдений над окружающими явлениями. Примерно до начала текущего столетия эти наблюдения ограничивались телами, имеющими значительную массу (грамм, килограмм), скорости движения которых относительно малы и во всяком случае несоизмеримы со скоростью света.

Для краткости эти тела называют макроскопическими. Для них и была разработана механика, получившая название классической или ньютонианской.

В начале текущего столетия физика проникла в микромир — так условно называется мир атомов и элементарных частиц, т. е. тел, имеющих ничтожно малую массу и движущихся со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Оказалось, что во многих случаях при этом законы классической механики имеют только приближенный характер.

Не укладывались в рамки классической механики и некоторые вновь открытые явления в области макромира, особенно при движении тел с большими скоростями. В связи с этим были созданы две новые более универсальные теории:

Теория относительности
Квантовая, или волновая механика.

Любые физические явления и прежде всего движение тел происходят в пространстве и во времени. Поэтому научные представления о пространстве и времени имеют фундаментальное значение для физики.

Пространство и временя в физике

Классическая физика основывалась на представлениях об абсолютных пространстве и времени, введенных в науку Ньютоном. Согласно, Ньютону пространство есть беспредельная пустота, существующая сама по себе, независимо от того, есть ли в ней какие-либо тела или нет.

Пространство имеет три измерения:

Оно неподвижно и неизменно, но проницаемо для тел. Через находящиеся в нем тела оно и познается.

Время по Ньютону есть существующая сама по себе бесконечная длительность. Время течет равномерно и безостановочно от прошлого к будущему, независимо от того происходят при этом какие-либо события или не происходят. Однако определенные промежутки времени отличаются по происходящим в них событиям. Время может быть измерено посредством точно повторяющихся в нем материальных процессов, например вращения земли вокруг оси, колебаний маятника и т. п.

Такие представления вполне соответствовали современным Ньютону взглядам на мир, на материю как совокупность тел, состоящих из неделимых частиц (атомов), которые существуют в абсолютных пространстве и времени.

Однако по мере развития физики эти взгляды постепенна обнаруживали свою несостоятельность и, наконец, в начале текущего столетия были заменены новыми представлениями, развитыми в теории относительности, которая была создана А. Эйнштейном (в 1905 г. — специальная часть, в 1915 г. — общая теория).

Что такое т еория относительности

Теория относительности представляет собой физическую теорию, рассматривающую с новой точки зрения общие пространственно-временные отношения в материальном мире. Название теории связано с тем, что в ней принцип относительности, установленный в свое время в классической механике, был распространен на любые явления природы.

Напомним, что принцип относительности движения в механике заключается в том, что взаимное перемещение тел в замкнутой системе (т. е. системе, на которую не действуют внешние силы) не зависит от того, находится эта система в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения (системы тел, двигающиеся одна относительно другой равномерно и прямолинейно, называются инерциальными системами).

Из принципа относительности следует, что одно и то же движение тела, происходящее в какой-либо инерциальной системе, будет наблюдаться различно, если наблю датель с ней связан (т. е. систе ма по отношению к нему неподвижна) и если он от нее не зависим, т. е, сама система двигается по отношению к наблюдателю равно мерно и прямолинейно. Можно сказать и более обще: одно и то же движе ние тела наблюдается различно в различных инерциальных системах.

Пример теории относительности

Например, пассажир Л, сидящий в вагоне двигающегося поезда, наблюдает падение предмета по вертикальной линии, тогда как наблюдатель Б, неподвижный относительно земли, при достаточно большой скорости поезда видит как предмет, падая, описывает кривую, называемую параболой (рис.).

Основное положение теории относительности устанавливает, что равномерное и прямолинейное движение замкнутой материальной системы как целого не влияет на ход любых процессов, происходящих внутри системы, или, что законы природы одинаковы во всех инерциальных системах.

Вторым, не менее важным положением теории относительности является утверждение о постоянстве скорости света: скорость света в вакууме является величиной постоянной, независящей от относительного равномерного и прямолинейного движения источника света и наблюдателя. Или, другими словами, скорость света в вакууме во всех направлениях в любых инерциальных системах одинакова. При этом скорость света в вакууме является максимально возможной в природе скоростью движения тел или скоростью распространения взаимодействия между ними.

На основании этих положений в теории относительности доказывается, например, что промежуток времени между какими-либо двумя событиями зависит от того, в какой инерциальной системе эти события рассматриваются. Например, события, одновременные в одной системе, будут наблюдаться неодновременными в другой и т. д. Течение времени в различных инерциальных системах отличается. Время не является абсолютным, оно связано с материальной системой тел, в которой наблюдается, следовательно, время относительно.

Расстояния между движущимися телами зависят от того, в какой инерциальной системе они наблюдаются. Поэтому и размеры тел в направлении движения в различных инерциальных системах также отличаются. Нет абсолютного пространства, оно связано с материальными объектами, следовательно, пространство относительно.

Связь между временем и пространством

Пространство и время взаимосвязаны и обусловливаются свойствами тел или явлений. Физическую реальность имеет только совокупная пространственно-временная характеристика событий. Она является четырехмерной величиной (три ее координаты х, у, z связаны с пространством, четвертая t— со временем).

Обычно пользуются величиной, которая называется пространственно-временным интервалом и представляет собой пространственно-временную разность между какими-либо двумя событиями. Подобно скорости света величина пространственно-временного интервала одинакова во всех инерциальных системах.

Пространство выражает непрерывность или прерывность, ограниченность, или неограниченность полей и тел, их относительные размеры и взаимное расположение. Время характеризует последовательность событий, совместность или отделенность их друг от друга, их относительную длительность.

В теории относительности устанавливается зависимость массы тел от скорости их движения, а также пропорциональность массы и энергии.

Заметим, что все эти положения теории относит ельности могут быть выражены математическими формулами (за кратко стью изложения они здесь не приводятся), а также подтверждаются соответствующими наблюдениями или экспериментами. Однако существенное практическое значение все эти положения имеют только при скоростях движения тел, соизмеримых со скоростью света.

Значение теории относительности

Теория относительности имеет исключительно большое научно-теоретическое значение, так как, во-первых, она дает наиболее правильное решение вопроса о пространстве и времени как физических величинах и, во-вторых, ее законы более точны и универсальны сравнительно с законами классической механики, однако практически она используется пока только в специальных областях физики и техники.

В широкой практике окружающих макротел вполне закономерно пользоваться данными классической механики, так как поправки к ним, которые вносит теория относительности, в данном случае ничтожно малы и учитывать их не имеет никакого смысла.

Статья на тему Пространство и время