Концепции пространства и времени в естествознании

1) Развитие представлений о пространстве и времени. Пространство и время как всеобщие и необходимые материи являются фундаментальными категориями в современной физике. Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. В доньютоновский период развитие этих представлений носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. И только в «Началах» Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму; в это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве. Также в обществе в то время господствовала геоцентрическая (Птолимеевская) система мира, согласно которой время было бесконечным, а пространство – конечным. Коренное изменение данного мнения пришло с гелиоцентрической системой мира, направившая движение мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства. Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. Подлинная революция в механике связана с Галилеем, который открыл принцип относительности (все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью; такие системы называются инерциальными). Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Декарта, который отрицал пустое пространство и отождествлял пространство с протяженностью. Новое определение понятиям пространства дал Ньютон, определив 2 типа пространства и времени (абсолютные и относительные), подчеркнув тем самым бесконечность пространства и времени. Однако его теория также подвергалась критике, например, Лейбниц развивал реляционную концепцию, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей (это не оказало большого влияния на развитие физики). В XIX в появилось новое понятие «поле», чтобы было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Позже Лоренц вывел математические уравнения для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, в зависимости от скорости движения. Как позднее показал Эйнштейн, в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении, а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета. Таким образом, относительными отказываются не только всякое движение, но и пространство и время.

2) Пространство и время в механике Ньютона. Ньютон создал новую физическую гравитационную картину мира, опирающуюся на строгие математические обоснования. Ее вершиной ста л закон всемирного тяготения (сила тяжести проявляется между любыми телами независимо от их конкретных свойств). Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон пришел к выводу, что она является бесконечной, следовательно, бесконечно и пространство. Раскрывая сущность времени и пространства, он предлагает различать 2 их типа: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные). Абсолютное, истинное, математическое время само себе, 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 мераили какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Основные положения Ньютоновской картины мира: пространство считалось бесконечным, плоским, прямолинейным, евклидовым («вместилище» материальных тел как независимая от них инерциальная система); время – абсолютным, однородным, равномерно текущим; абсолютное время и пространство служили основой для преобразований, посредство которых осуществлялся переход к инерциальным системам; принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия (в качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью распространяло силы на бесконечные расстояния – эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для абсолютного пространства).

3) Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна. Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Он объяснил, что скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Эйнштейн попытался наглядно показать, как происходит замедление течения времени в движущейся системе по отношению к неподвижной. Время же не необратимо (эффект близнецов: с Земли стартовал со скоростью близкой к скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле, но, согласно теории относительности, на Земле этот полет продолжался бы год – брат на Земле постарел, брат в космосе – нет). Теория относительности доказала, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. В общей теории относительности или теории тяготения Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ото доказал, что структура пространства – времени определяется распределением масс материи. «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

4) Свойства пространства и времени. Пространство - форма существования материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах.

Время – форма существования материи, характеризующая длительность существования всех объектов и последовательность смены состояний всех материальных систем.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА:

1. Объективность пространства и времени заключается в том, что они существуют независимо от сознания.

2. Всеобщность характеризуется тем, что нет и не может быть ни одного события, явления, которые существовали вне пространства и времени.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА:

1. трехмерность;

2. однородность заключается в равноправии всех точек пространства, отсутствия в нем каких-либо выделенных точек.

3. Изотропность – равноправие всех возможных направлений.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВРЕМЕНИ:

1. Одномерность. Положение объекта во времени описывается одной величиной.

2. Необратимость, т.е. однонаправленность. Время течет из прошлого, через настоящее, в будущее.

3. Однородность заключается в равноправии его моментов. Не существует преимущественной точки отсчета любую можно принимать за начальную.

ФИЗИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

1) Понятие взаимодействия и движения. Дальнодействие и близкодействие. Связь, взаимодействие и движение представляют, собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время, выстраивая научную картину мира, физики отводили ведущую роль движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи. В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. Взаимодействие в физическом смысле понимается как развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Таким образом, взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные, виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. То есть, не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи, в то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Последовательное описание взаимодействия, раскрытие его механизма – одна из центральных задач всей физики. На протяжении столетий в науке сформировались два принципиально различных способа описания механизма физического взаимодействия (дальнодействие и близкодействие).

Дальнодействие (принцип): исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Его автором стал И. Ньютон, который с его помощью пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия, взаимодействие между телами происходило мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей (агентов взаимодействия).

Близкодействия (принцип): в XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который известен в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем, от точки к точке, с конечной скоростью. В XX веке принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем, от точки к точке, со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

2) Гравитационное взаимодействие. Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Классическая (ньютоновская) теория тяготения была создана еще в XVII в. после открытия закона всемирного тяготения.

Гравитационное взаимодействие обладает специфическими свойствами, отличающими его от других фундаментальных взаимодействий. Во-первых, это самое слабое из всех известных взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Тем не менее, эта очень слабая сила определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его второй особенностью – универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля участвуют в гравитационном взаимодействии. Оно тем больше, чем больше массы взаимодействующих тел. Эта закономерность была выявлена еще Ньютоном и сформулирована им в законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила. Разумеется, ее интенсивность убывает с расстоянием (об этом также говорит закон всемирного тяготения), но продолжает сказываться и на очень больших расстояниях.

3) Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие также обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.:

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий, поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, его действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

На заре развития науки об электричестве электрические и магнитные компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы – это проявление одного и того же феномена. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Электродинамика Максвелла явилась законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

Но современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Теория начинается с утвеждения существования электрического заряда, который проявляется в двух разновидностях: 1) заряд, присущий электрону, назван отрицательным; 2) заряд, присущий протону и позитрону, назван положительным. В отличие от гравитационного взаимодействия, не все материальные частицы являются носителями? электрического заряда. Существуют электрически нейтральные частицы, например нейтрон.

Электрический заряд создает поле, квантом которого является безмассовый бозон – фотон со спином, равным 1. Взаимодействие зарядов обеспечивается обменом виртуальных фотонов. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных – отталкивания. В этом проявляется еще одно отличие от гравитационного взаимодействия, которое проявляется только как притяжение.

4) Слабое и сильное взаимодействие.

Слабое взаимодействие

Это третье фундаментальное взаимодействие, действующее только в микромире. Оно ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Первая теория слабого взаимодействия (четырехфермионная теория) была создана еще в 1934 г. Э. Ферми. В ней утверждалось, что слабое взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством, так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида – в кварки другого вида.

Уже в конце 50-х годов стало ясно, что данная теория несовершенна, поскольку сфера ее применения ограничивается только малыми энергиями частиц, участвующих во взаимодействии. Кроме того, теория резко констрастировала с господствующей картиной мира и не отвечала требованиям единообразия в описании всех физических взаимодействий.

Поэтому в 60-х годах независимо друг от друга ^ С. Вайнберг и А. Солам решили, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия – это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм – два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, которые существовали в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В результате заряд распадается на две части – электромагнитный и слабый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия – на четыре составляющих (фотон и три тяжелых векторных бозона).

Основанием для такого предположения стали экспериментальные данные, подтвеждающие, что с увеличением энергии частиц интенсивность слабого взаимодействия растет намного быстрее, чем интенсивность электромагнитного. Поэтому предположили, что при определенных условиях (огромном уровне энергии) эти интенсивности сравняются, тяжелые векторные бозоны не будут отличаться от фотонов, а взаимодействия сольются.

Кроме того, должно существовать еще одно постоянное поле, квантом которого является бозон Хиггса – очень массивная частица с нулевым спином. Считается, что именно взаимодействие с этим бозоном приводит к тому, что фотон остается безмассовым, а бозоны слабого взаимодействия получают массу. Правда, на опыте бозонов Хиггса пока не обнаружено. Но совершенной теоретической модели без хиггсовских бозонов создать не удается.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия стало главным триумфом теоретической физики за последние три десятилетия XX века. Единая теория электрослабого взаимодействия успешно описывает все процессы, происходящие при энергиях от долей электронвольта до сотен гигаэлектрон-вольт. Вместе теория электрослабого взаимодействия и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) получили название Стандартной модели. Ее основные положения согласуются с результатами большинства экспериментов.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие занимает первое место по силе и является источником огромной энергии. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны. Теория сильного взаимодействия является типичной полевой теорией и называется квантовой хромодинамикой.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, желтого). Они присущи кваркам и Выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами – бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ, glue – клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия – до 10-13 см (порядка атомного ядра).

Как было отмечено ранее, все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами: с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Такое свойство кварков получило название асимптотической свободы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Лишь в первые моменты после Большого взрыва существовавшие тогда огромные температуры позволяли свободное существование кварков. Но сейчас попытка разорвать связь между кварками приведет к тому, что глюонные струны между ними будут натягиваться все сильнее, в результате возникнут новые кварки и антикварки, которые соединятся с первичными частицами и образуют новые адроны. Именно это и наблюдается в опытах на ускорителях.

До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Но с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветовые силы.

Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. В результате такого взаимодействия кварки всех барионов связываются в единую систему – атомное ядро.

Таким образом, ядерные силы – это только отголоски цветовых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодействия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нужна совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон невозможно.