Кукк В.А., Сергеев С.В., Решетников Б.А. Учебное пособие концепции современного естествознания
Подождите немного. Документ загружается.
120
Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с
рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую
универсальную физико-космологическую картину мира.
Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел
координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой
время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве
физики и геометрии привел его к отожествлению материальности и
протяженности. Исходя из этого тезиса, он отрицал пустое пространство и
отождествлял пространство с протяженностью.
Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в
доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы
изучения физического пространства и времени. Эти представления
подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств
пространства и времени в рамках классической механики [3].
Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие
математические обоснования, представлена в классической механике И.
Ньютона.
Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает
различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и
относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую
типологическую характеристику [4].
Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и своей
сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает
равномерно и иначе называется длительностью.
Относительное, кажущееся, или обыденное, 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 которое в обыденной жизни принимается
за пространство неподвижное.
Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего
существующего.
Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий
абсолютного и относительного пространства и времени связано со
спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На
теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном
пространстве и времени играли существенную роль во всей причинной
структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной
инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической
механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне
эмпирического познания материального мира понятия "пространства" и
121
"времени" ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не
объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают
в качестве относительного времени и пространства.
Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории
относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее
последовательными. Но они являются макроскопическими, так как
опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших
расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий,
описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина,
предполагающая непрерывность пространства и времени, была перенесена на
новую область без каких-либо изменений.
Развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра
представлений о физическом пространстве и времени.
Единство и многообразие свойств пространства и времени
Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и
времени, а также исследуют особенности пространства и времени в
микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-
временные характеристики, которые проявляются на известных структурных
уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами.
Специфические свойства проявляются лишь на определенных структурных
уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем [5].
Из всеобщих свойств пространства и времени следует отметить
следующие.
1. Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, т.е.
существуют независимо от сознания людей и познания ими этой
объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о
ней.
2. Пространство и время являются также универсальными, всеобщими
формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые
существовали бы вне пространства или вне времени.
Пространство и время, наряду с общими характеристиками, имеют
специфические свойства, которые относятся только к пространству или
только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты
материи.
Специфические свойства пространства.
1. Важным свойством пространства является его трехмерность.
Положение любого предмета может быть точно определено только с
помощью трех независимых величин — координат. В прямоугольной
декартовой системе координат это — X, У, Z, называемые длиной, шириной
и высотой. В сферической системе координат — радиус-вектор r и углы α и
β. В цилиндрической системе — высота z, радиус-вектор r и угол α.
122
2. Пространство обладает свойством однородности и изотропности.
Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а
изотропность — в равноправии всех направлений.
Специфические свойства времени.
1. Время — необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через
настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку
времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в
будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-
следственных связей.
2. Время обладает свойством однородности. Во времени все точки
равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую
можно принимать за начальную.
В современной науке используются понятия биологического,
психологического, социального пространства и времени. Эти понятия
введены [6] в связи с особенностями проявления пространственно-
временных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные)
и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких
объектах могут быть существенно отличны.
Так, биологическое пространство и время характеризуют особенности
пространственно-временных параметров органической материи:
биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и
животных организмов, их жизнь и смерть.
Одним из первых проблему биологического пространства и времени
начал анализировать В. И. Вернадский.
Под действием поисковой и трудовой деятельности происходит
становление человеческой психики. Одновременно идет формирование
нового понятия — психологического пространства и времени. Психическая
регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не
только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на
основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства.
Наиболее интересным в связи с этим является разработка советским
психофизиологом Н. А. Бернштейном теории моторного поля.
Проблема социального пространства и социального времени стала
разрабатываться в науке с начала 70-х гг. XX в. Анализ этой проблемы
включает рассмотрение взаимодействия пространства и времени как форм
социального бытия индивидов, соотношения пространственно-временных
связей внутри общества, исследование форм и отношений, присущих
социальной деятельности людей.
Социальное пространство включает пространственную организацию
социальных объектов общества, которые дифференцированы, разделены и
определенным образом ориентированы.
Его специфическими свойствами являются протяженность,
упорядоченность, масштаб, интенсивность, насыщенность, плотность,
определенная координация социальных процессов и явлений.
123
Социальное время — это определенный по длительности период, каким
располагает любой социальный объект и общество в целом. Это —
совокупное время существования и деятельности всех индивидов общества.
При этом социальное время неотделимо от социального пространства, в
рамках которого жизнедеятельность индивидов существует в форме
различных институтов, общностей, групп и территориальных структур.
Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше
всеобщие свойства пространства и времени и большинство их
специфических свойств.
8.2. Основные физические принципы
Принцип относительности
Впервые этот принцип был сформулирован еще Г. Галилеем: во всех
инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым
законам. Инерциальными называются системы отсчета, движущиеся друг
относительно друга равномерно и прямолинейно, либо находящиеся в покое.
Из принципа относительности следует, что между покоем и движением —
если оно равномерно и прямолинейно — нет никакой принципиальной
разницы.
Таким образом, слово "относительность" в названии принципа Галилея не
скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла,
кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или
покой — всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам
системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и
равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и
движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и
существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к
законам механики, принцип относительности не подвергался никакому со-
мнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к
изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл
объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. С
созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность
классической механики для описания явлений природы. В связи с этим
естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для
электромагнитных явлений?
Описывая ход своих рассуждений, создатель теории относительности
Альберт Эйнштейн указал на два аргумента, которые свидетельствовали в
пользу всеобщности принципа относительности.
1. Этот принцип с большой точностью выполняется в механике, поэтому
можно было надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике.
124
2. Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений
природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего
описываются лишь в одной инерциальной системе.
В специальной теории относительности данный принцип был
распространен также на законы электродинамики.
Специальная теория относительности базируется на расширенном
принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно
новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во
всех инерциальных системах отсчета.
Почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по
значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь
сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость
света — это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость
физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной.
Она была установлена в XIX в., составив 300 000 км/с. Это огромная
скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем
нас мире.
Обратимся к мысленному эксперименту. Предположим, что по рельсам
движется железнодорожный вагон со скоростью υ, в направлении движения
которого посылается световой луч со скоростью с. Процесс распространения
света, как и любой физический процесс, определяется по отношению к
некоторой системе отсчета. В нашем примере такой системой будет полотно
дороги. Спрашивается, какова будет скорость света относительно
движущегося вагона? Легко подсчитать, что она равна w = с – υ, т. е.
разности скорости света по отношению к полотну дороги и к вагону.
Выходит, что она меньше постоянного ее значения, а это противоречит
принципу относительности, согласно которому физические процессы
происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета, какими
являются железнодорожное полотно и равномерно прямолинейно движу-
щийся вагон. Однако это противоречие является кажущимся, потому что на
самом деле скорость света не зависит от того, движется ли источник света
или покоится.
Это — иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в
основу специальной теории относительности. Движение света
принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых
меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими
скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от
точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она
абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать
систему отсчета.
Абсолютность скорости света не противоречит принципу
относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости
— закон природы, а потому — именно в соответствии с принципом
относительности — он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.
125
Скорость света — это верхний предел для скорости перемещения любых
тел природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов.
Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости. Поэтому часто
говорят, что скорость света — предельная скорость передачи информации и
предельная скорость любых физических взаимодействий.
В общей теории относительности были раскрыты новые стороны
зависимости пространственно-временных отношений от материальных
процессов.
Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности
инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых
давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты,
возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам,
возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с
ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он
находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа
эквивалентности масс был обобщен принцип относительности,
утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов
природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и
неинерциальных.
Принцип возрастания энтропии
Энтропия — абстрактная величина (греч. еntropia — поворот,
превращение). Она является мерой неупорядоченности или мерой хаоса в
термодинамике.
Клаузиус, введя в 1865 г. понятие энтропии, математически точно
определил её и показал, что в изолированных системах энтропия при
обратимых процессах не изменяется, а при реальных и необратимых — её
изменение всегда положительно.
Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за
исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном
нуле (но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о
недостижимости абсолютного нуля, равного – 273° С), что невозможно.
Иногда используется отрицательная величина энтропии — негэнтропия,
которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может
быть только отрицательным числом. Рост негэнтропии соответствует
возрастанию порядка, энтропии — росту хаоса.
Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в
случае изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся
энергией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может
самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия
увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе
энтропия может только расти.
Так мы сталкиваемся с принципом возрастания энтропии — важнейшим
принципом термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к
126
состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с
хаосом.
Принципы симметрии и законы сохранения
В современной физике важнейшими являются принципы симметрии, на
основе которых действуют законы сохранения физических величин.
Что понимается под симметрией. Принято считать [2], что предмет
симметричен, если он остается неизменным после той или иной операции по
его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит
одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы
электричества симметричны относительно замены положительных зарядов
отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией понимается
инвариантность системы относительно некой операции.
Существуют разные типы симметрии: геометрические, зеркальные,
негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые
калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный
характер и органами чувств непосредственно не фиксируются. Они связаны с
изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической
величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа
остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в
физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты;
напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и
др.
Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических
величин — утверждениями, согласно которым численные значения
некоторых физических величин не изменяются со временем в любых
процессах или в определенных классах процессов. Фактически во многих
случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.
Принципы симметрии делятся на пространственно-временные, или
внешние, и внутренние симметрии, описывающие свойства элементарных
частиц.
Пространственно-временные симметрии
1. Сдвиг времени, то есть изменение начала отсчета времени, не меняет
физических законов. Это означает, что все моменты времени объективно
равноправны, и можно взять любой за начала отсчета времени. Время
однородно.
2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет
физических законов. Объективно это означает равноправие всех точек
пространства (однородность пространства). Перенос (сдвиг) в пространстве
какой-либо физической системы никак не влияет на процессы внутри нее.
3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет
физические законы неизменными. Это означает изотропность пространства:
свойства пространства одинаковы по всем направлениям.
127
4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. В
этом состоит принцип относительности. Соответственно физические законы
не изменяются при преобразованиях Лоренца, связывающих значения
координат и времени в различных инерциальных системах отсчета.
Из пространственно-временных симметрий вытекают следующие законы
сохранения.
1. Закон сохранения энергии. При отсутствии сил трения и при
воздействии только сил упругости и тяготения закон сохранения
механической энергии заключается в следующем — суммарная механическая
и кинетическая энергия тела или системы тел остаётся во всех случаях
постоянной.
Если же действуют силы трения, то сумма потенциальной и кинетической
энергий уже не остается постоянной, а убывает при движении. Но при этом
всегда растет внутренняя энергия. С развитием физики обнаруживались все
новые виды внутренней энергии тел: была обнаружена световая энергия,
энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при
химических реакциях (в качестве примера достаточно указать хотя бы на
химическую энергию, запасенную во взрывчатых веществах и
превращающуюся в механическую и тепловую энергию при взрыве),
наконец, была открыта ядерная энергия. Оказалось, что если над телом
произведена некоторая работа, то его суммарная энергия растет на величину
этой работы, а если тело производит работу над другими телами, то его
суммарная энергия настолько же убывает. Для всех видов энергии оказалось,
что возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от
одного тела к другому, но что при всех таких переходах общее количество
энергии всех видов, включая и механическую, и все виды внутренней
энергии, остается все время строго постоянным. В этом заключается
всеобщность закона сохранения энергии.
2. Закон сохранения импульса: импульс замкнутой механической
системы, равный произведению инертной массы на скорость, есть величина
постоянная — P = mυ = const. Этот закон можно сформулировать ещё
иначе: внутренние силы не изменяют энергии системы.
Импульс (количество движения) тела характеризуется не только числом,
но и направлением в пространстве, т.е. является векторной величиной.
Направление импульса тела совпадает с направлением скорости движения
тела.
3. Закон сохранения момента импульса: в изолированной системе
сохраняется и направление, и значение момента импульса. Закон сохранения
момента импульса определяет динамику галактик, планет и элементарных
ядерных частиц.
Внутренние симметрии
1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических
зарядов частиц остается неизменной.
2. Многочисленные опыты показывают, что ядерное вещество всегда
сохраняется, так как разность между числом тяжелых сильно
128
взаимодействующих частиц (барионов) и числом их античастиц не
изменяется при любых процессах. Барионы могут рождаться только парами:
частица — античастица. Самые легкие барионы — протоны — не
распадаются на другие частицы. Это можно истолковать, приписав каждому
бариону особое квантовое число — барионный заряд, равный +1, а каждому
антибариону заряд –1. Тогда определенный таким образом барионный заряд
сохраняется.
3. Аналогичным образом обстоит дело и с легкими элементарными
частицами — лептонами. Разность числа лептонов и антилептонов не
изменяется при превращении элементарных частиц.
4. Одна из давно известных внутренних симметрий — изотопическая
инвариантность. Она связана с сильным ядерным взаимодействием между
протонами и нейтронами. Эксперименты показывают, что величина и другие
свойства этого взаимодействия не зависят от того, о каких частицах идет
речь — протонах или нейтронах.
Действительно, на ядерных процессах никак бы не отразилось, если бы
мы каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот.
Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два
различных состояния одной частицы — нуклона. При сильных взаимодейст-
виях они выступают как одна частица.
5. Еще одна симметрия, связанная с сохранением нового квантового числа
— странности, — выполняется при сильных и электромагнитных
взаимодействиях, но нарушается слабыми взаимодействиями.
Из внутренних симметрий вытекают следующие законы сохранения.
1. Закон сохранения электрического заряда. Его открыли Франклин и
Фарадей применительно к макроскопическим телам. Было установлено, что
электрический заряд выступает в двух видах — положительного и
отрицательного. Они всегда возникают одновременно и в одинаковом
количестве, причём ни положительный, ни отрицательный заряд не может
исчезнуть самостоятельно независимо от противоположного заряда. Тот же
закон распространяется и на элементарные частицы.
Закон сохранения заряда для элементарных частиц означает, что
суммарный электрический заряд частиц до превращения (или распада) равен
суммарному электрическому заряду после него. При этом имеется в виду
алгебраическая сумма всех зарядов, т.е. суммирование производится с
учётом их знака.
2. Закон сохранения барионного (ядерного) заряда: при всех ядерных
превращениях в изолированной системе, барионный заряд сохраняется
неизменным.
Сохранение барионного заряда означает, что барион может превращаться
в мезоны, лептоны и фотоны только в тех случаях, когда он вступает в
реакцию с антибарионом: тогда суммарный барионный заряд до реакции и
после неё равен нулю и, следовательно, среди конечных продуктов реакции
не обязательно должны присутствовать барионы. У всех мезонов, лептонов и
фотонов барионный заряд равен нулю.
129
3. Закон сохранения лептонного заряда: суммарная величина лептонного
заряда сохраняется неизменной в процессах, происходящих с участием
лептонов.
Считается, что все лептоны (электроны, отрицательные мюоны и
нейтрино) — лептонный заряд, равный +1, все антилептоны (позитроны,
положительные мюоны и антинейтрино) — лептонный заряд равный –1, а все
остальные частицы не имеют лептонного заряда.
4. Закон сохранения странности. Все сильно взаимодействующие
частицы, кроме нейтронов протонов, наделены странностью, которая
принимает значения либо +1, либо –1. При сильных и электромагнитных
взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неизменной. В
этом и состоит закон сохранения странности.
Принцип суперпозиции
Важное значение в физике, в частности в квантовой механике, имеет
принцип суперпозиции.
Принцип суперпозиции (принцип наложения) — это допущение, согласно
которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов,
вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из
простейших примеров этого является правило параллелограмма, в
соответствии с которым складываются две силы, действующие на тело.
Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда
действующие явления не влияют друг на друга.
Этот принцип не всегда выполняется при распространении света через
диэлектрик, так как в ряде случаев при этом изменяются те свойства
диэлектрика, от которых зависит распространение света через эту среду.
Принцип суперпозиции в ньютоновской физике не универсален и во многих
случаях справедлив лишь приближенно.
В микромире, наоборот, принцип суперпозиции фундаментальный
принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу
математического аппарата квантовой механики.
Принцип неопределённости
Одним из основных положений квантовой механики является
соотношение неопределенностей, согласно которому невозможно
одновременно точно определить местоположение (координаты) частицы и ее
импульс. Чем точнее определяется координата частицы, тем более
неопределенным становится ее импульс. И, наоборот, чем точнее известен
импульс, тем более неопределенна координата. Эта зависимость называется
соотношением неопределенности Гейзенберга.
Известность Гейзенбергу принес его знаменитый принцип
неопределенности, сформулированный в 1927 г., когда ученый стал
профессором теоретической физики Лейпцигского университета. Этот