Пространство и время в классической физике

Понятия пространства и времени, выработанные в классической физике, являются результатом теоретического анализа механического движения.

В главной работе И.Ньютона «Математические начала натуральной философии», изданной в 1687 г., были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства и времени.

Понятия «пространство» и «время» были определены И. Ньютоном в строгом соответствии с той методологической установкой, которая была принята формирующейся опытной наукой Нового Времени, а именно, познание сущности (законов природы) через явления. Он писал: «Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятия обыкновенно относят к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведённые понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные».[2]

Ньютон чётко различал два типа времени и пространства – абсолютное и относительное, и дал им следующие определения:

«Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по 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».[3]

Чем вызвано это различение?

Прежде всего, оно связано с особенностями теоретического и эмпирического уровней познания пространства и времени.

На теоретическом уровне пространство и время представляют собой идеализированные объекты, у которых выделяется только одна характеристика: для времени – быть «чистой длительностью», а для пространства быть «чистой протяженностью».

На эмпирическом уровне пространство и время предстают как относительные, то есть, связанные с конкретными физическими процессами и их восприятием на уровне чувств.

Таким образом, и для времени, и для пространства термин «относительный» использовался в смысле «измеряемая величина» (постигаемая нашими чувствами), а «абсолютный» — в смысле «математическая модель».

Почему Ньютон ввел разграничение теоретического и эмпирического смысла этих понятий?

Соотношение между понятиями абсолютного и относительного времени и необходимость в них ясно видна из следующего пояснения.

Время, как известно, можно измерить при помощи равномерного периодического процесса. Однако, мы знаем, что процессы равномерны? Очевидны логические трудности в определении подобных первичных понятий.

Другая трудность связана с тем, что два одинаково равномерных на данном уровне точности процесса могут оказаться относительно неравномерными при более точном измерении. И мы постоянно оказываемся перед необходимостью выбора все более надежного эталона равномерности хода времени.

Абсолютное время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные сутки, принимаемые при обыденном измерении времени как равные, на самом деле между собою неравны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенною точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может.

Таким образом, относительное время Ньютона есть время измеряемое, тогда как время абсолютное есть его математическая модель со свойствами, выводимыми из относительного времени при помощи абстрагирования.

Перейдём к понятию абсолютного пространства.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г.Галилеем и окончательно сформулированный в механике Ньютоном.

Отцом принципа относительности считается Галилео Галилей, который обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. Во времена Галилея люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом: для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует, и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Идеи Галилея нашли развитие в механике Ньютона, который дал научную формулировку принципа относительности: относительные движения тел друг по отношению к другу, заключенные в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.

Другими словами, согласно принципу относительности Галилея, законы механики инвариантны, то есть остаются неизменными при тех или иных преобразованиях относительно инерциальных систем отсчёта. Переход от одной инерциальной системы отсчёта к другой осуществляется на основе так называемых преобразований Галилея, где х, у и z означают координаты тела, v – скорость, а t – время:

Смысл принципа относительности заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчёта законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.

В период создания механики перед Ньютоном неизбежно вставал вопрос: а существуют ли вообще инерциальные системы? Если существует хотя бы одна такая система, то может существовать бесчисленное их множество, ибо любая система, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной, тоже будет инерциальной. Совершенно очевидно, что в природе инерциальных систем отсчёта нет. На Земле с достаточной степенью точности соблюдается принцип инерции, и тем не менее Земля — система неинерциальная: она вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Не может быть инерциальной и система, связанная с Солнцем, ибо Солнце вращается вокруг центра Галактики. Но если, ни одна реальная система отсчета не является строго инерциальной, то не оказываются ли фикцией основные законы механики?

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

В преобразованиях Галилея отражены основные свойства пространства и времени, как они понимались в классической механике.

Каковы же эти свойства?

1. Пространство и время существуют как самостоятельные сущности, не связанные друг с другом.

Пространственные и временные координаты входят в уравнения неравноправным образом. Пространственная координата в движущейся системе зависит и от пространственной и от временной координаты в неподвижной системе (х'= х – vt). Временная же координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными координатами (t' = t).

Таким образом, время мыслится как нечто совершенно самостоятельное по отношению к пространству.

2. Абсолютность пространства и времени, то есть абсолютный характер длины и временных интервалов, а также абсолютный характер одновременности событий.

Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и расстояние между двумя событиями во времени (промежуток). В преобразованиях Галилея зафиксирован абсолютный характер длины и промежутка. В отношении временного промежутка это непосредственно видно из уравнения t' = t. Время не зависит от системы отсчета, оно одно и то же во всех системах, везде и всюду течет совершенно равномерно и одинаково.

Таким образом, во всех инерциальных системах отсчёта равномерно течёт единое непрерывное абсолютное время и осуществляется абсолютный синхронизм (т. е. одновременность событий не зависит от системы отсчёта, она абсолютна), основой которого могли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы - эта роль в системе Ньютона отводилась тяготению (закон всемирного тяготения). Однако статус дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальной природой пространства и времени в рамках механистической картины мира.

В классической механике Ньютона пространство вводится посредством евклидовой трехмерной геометрии. В силу этого оно непрерывно, упорядочено, трехмерно, бесконечно, безгранично - это трехмерный континуум точек.

Ньютоновская концепция пространства и времени и принцип относительности Галилея, на основе которых строилась физическая картина мира, господствовали вплоть до конца XIX в.

Date: 2015-09-03; view: 4697; Нарушение авторских прав