Пространство и время в классической механике Ньютона и теории относительности Эйнштейна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Глазовский инженерно-экономический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет»

Кафедра “Естественно-научные и гуманитарные дисциплины”

РЕФЕРАТ

по учебной дисциплине “Концепции современного естествознания”

на тему “Пространство и время в классической механике Ньютона и теории относительности Эйнштейна”

Глазов 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ПРОСТРАНСТВО

ВРЕМЯ

ЗАКОНЫ НЬЮТОНА

ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Все, что существует во Вселенной, живое и неживое, имеет пространственно-временное измерение. Пространство и время не отделимы от материи, неразрывно связаны с ее движением и друг с другом, количественно и качественно бесконечны. Таким образом, материя, пространство, время, движение являются основными понятиями науки.

Стремление понять окружающий мир, представить его структуру, сформулировать частные и общие законы его существования и развития на основе изучения взаимосвязей между природными явлениями и процессами всегда было присуще человечеству.

Так, древние греки создали две точные науки: геометрию, выросшую из техники земледелия, и астрономию, вызванную к жизни необходимостью измерять время.

Мы познаем мир прежде всего с помощью органов чувств - естественные физических приборов человеческого организма.

Основную информацию, формирующую наши представления об этом мире, мы получаем через органы зрения - глаза, но они иногда «обманывают» нас. При достаточно быстром движении наблюдаемых нами объектов глаза «смешивают» их изображения (на этом явлении основано кино), погруженная в воду палка кажется преломленной, а оптические иллюзии (миражи, гало и т. д.) мы принимаем за реально существующие явления.

Мир наполнен самыми разнообразными звуками, но не все из них мы воспринимаем, за то людям с различными психическими отклонениями могут слышаться не существующие в данный момент звуки (слуховые галлюцинации).

В достаточной степени субъективны и наши вкусовые ощущения, восприятие запахов (обоняние), осязание, тепловые ощущения (озноб у больного, купание закаленных людей в проруби), чувство боли.

Постепенно человек научился создавать приборы и системы для получения объективной информации об окружающем мире.

ПРОСТРАНСТВО

Для наших далеких предков ориентация в пространстве имела огромное значение. Порядок обеспечивал безопасность.

Обычно под пространством (в том числе и космическим) мы понимаем некую протяженную пустоту, в которой могут находиться какие-либо предметы. Однако между небесными телами (звездами, планетами, кометами) всегда имеется некоторое количество вещества, поэтому в науке пространство рассматривается не как вместилище материи, а как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой.

Для определения положения в пространстве необходимо знать три координаты - широту, долготу и высоту. Это означает что пространство трехмерно. Птолемей в своем главном труде «Альмагест» уделил особое внимание размерности пространства, утверждая, что в природе не может быть более трех пространственных измерений.

Евклид построил геометрию трехмерного пространства, известную в научном обиходе как евклидова геометрия. Для определения положения в пространстве Рене Декарт ввел прямоугольную систему координат. Физический мир Декарта состоит из двух сущностей: материи и движения.

Декартово представление о флюидах, заполняющих пространство, господствовало в науке 19 и частично 20 веков, оказав существенное влияние на развитие таких разделов физики, как оптика и электричество. Вес, как и любая сила, у Декарта является свойством движения тонкой материи, отождествляемой с пространством. Поэтому механизм Декарта сводит силы к свойствам пространства.

Исаак Ньютон открыл новые свойства пространства, изучая движение перемещающихся тел. Он рассматривал пространство как субстанцию, способную динамически действовать на материальные тела. Модель пространства, предложенная Ньютоном, - это модель независимо существующей субстанции, в которой могут перемещаться материальные тела и частицы света. Поэтому каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если эти события произошли в разные моменты времени. Таким образом, все равномерные движения у Ньютона относительны, а ускоренные - абсолютны.

ВРЕМЯ

Говоря о «времени», люди употребляют это слово в самых различных смыслах. Время связано с обычной, повседневной жизнью, оно непосредственно доступно нашему сознанию, формируя наши ощущения, взгляды, язык. В житейском понимании время воспринимается как поток, переход из прошлого в будущее, переносящий наше «теперь» и «сейчас» в другой мир, оно наполнено действием в отличие от неподвижного и пустого пространства, «вместилище» событий.

Русская пословица гласит: «Время - око истории». Научная теория времени не содержит такого «психологического» восприятия времени, отвлекается от него. Существует даже представления, что течение времени лишь иллюзия человеческого восприятия. В. И. Даль в «Толковом словаре живого великорусского языка» так определяет это понятие: «Время - длительность бытия; пространство в бытии; последовательность существования; продолжение случаем, событий».

Первая физическая теория времени дана в «Началах» Ньютона, причем он ставит время первым среди основных понятий физики, за ним следует пространство, место и движение. Определение Ньютона таково: «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью».

Г. Лейбниц считал время относительным, «порядком последовательностей». В других естественных науках, например в геологии, время рассматривалось совершено иначе. Так, основоположник геологии датчанин Нильс Стенсен строил пространственные отношения на основе не движения или перемещения тел в нем, а с точки зрения временной последовательности «раньше - позже».

Ньютоново отношение к времени сохранилось и в специальной теории относительности Эйнштейна, называемой «неклассической», которая заменила пространство и время Ньютона на пространство - время Германа Минковского. По выражению Вернадского, теория относительности «отрицала только независимое от пространства, абсолютное время, но не придавала ему никаких новых свойств - принимала его тем же изотропным, аморфным временем, каким понимал его Ньютон.

ЗАКОНЫ НЬЮТОНА

В качестве первого закона динамики Ньютон принял закон, установленный еще Галилеем: материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока взаимодействие со стороны других тел не выведет ее из этого состояния.

Первый закон Ньютона показывает, что состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое их инертностью. Соответственно первый закон Ньютона называют законом инерции, а движение тела в отсутствие воздействий со стороны других тел - движением по инерции.

Система отсчета, по отношению к которой материальная точка, свободная от внешних воздействий, покоится или движется равномерно и прямолинейно, называется инерциальной системой отсчета. Содержание первого закона Ньютона сводиться по существу к двум утверждениям: во-первых, что все тела обладают свойством инертности и, во-вторых, что существуют инерциальные системы отсчета.

Основным законом динамики материальной точки является второй закон Ньютона, который говорит о том, как изменяется механическое движение материальной точки под действием приложенных к ней сил. Второй закон Ньютона гласит: скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе. Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил, то под силой во втором законе Ньютона нужно понимать геометрическую сумму всех действующих сил - как активных, так и реакций связей, т.е. равнодействующую силу.

Механическое действие тел друг на друга проявляется в виде их взаимодействия. Об этом говорит третий закон Ньютона: две материальные точки действуют друг на друга с силами, которые числено равны и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти точки. Третий закон Ньютона является существенным дополнением к первому и второму законам. Он позволяет перейти от динамики одной материальной точки к динамике произвольной механической системы (системы материальных точек). Из третьего закона Ньютона следует, что в любой механической системе геометрическая сумма всех внутренних сил равна нулю.

Из второго и третьего законов Ньютона следует, что первая производная по времени от импульса механической системы равна главному вектору всех внешних сил, приложенных к системе. Это уравнение выражает закон изменения импульса системы.

Если рассматриваемая система - твердое тело, которое движется поступательно, то скорости всех точек тела и его цента масс одинаковы и равны скорости тела.

ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства и времени. Специальная теория относительности и квантовая механика служат теоретической базой современной физики и техники. Специальную теорию относительности часто называют релятивисткой теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистскими эффектами. Как правило, релятивистские эффекты при скоростях движения тел, близких по величине к скорости света в вакууме и называемых релятивистскими скоростями. Релятивистской механикой называется механика движений с релятивистскими скоростями, основанная на специальной теории относительности.

В специальной теории относительности так же, как и в классический ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно.

В основе специальной теории относительности лежат два основных принципа, принимаемых в качестве исходных постулатов.

Первый постулат является обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы. Этот постулат, называемый принципом относительности, или релятивистским принципом относительности Эйнштейна, гласит: в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одних и тех же условиях протекают одинаково. Иначе говоря, принцип относительности утверждает, что физические законы независимы (инвариантны) по отношению к выбору инерциальной системы отсчета: уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Следовательно, на основе любых физических экспериментов, проведенных в замкнутой системе тел, нельзя установить, покоиться эта система или движеться равномерно и прямолинейно.

Второй постулат выражает принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от движения источника света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета, являясь одной из важнейших физических постоянных. Указанные специфические закономерности процесса распространения света в вакууме позволяют использовать этот реальный физический процесс для установления процедуры хронометризации системы отсчета, т.е. для синхронизации часов, расположенных в разных точках пространства и перемещающихся вместе с рассматриваемой системой отсчета.

Постулаты специальной теории относительности противоречат представлениям о свойствах пространства и времени, которые приняты в классической механике и отражены в преобразованиях Галилея. В частности, это относиться к считающемуся в механике Ньютона «само собой разумеющимся» утверждению об одинаковости хода времени во всех инерциальных системах отсчета и, следовательно, об абсолютности промежутка времени между какими-либо двумя событиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научное понимание пространства до 20 века мало отличалось от обыденного. Евклид построил геометрию трехмерного пространства, которая была положена в основу классической науки. Декарт заполнил евклидово пространство «тонкой материей», наделенной вечным движением. Ньютон перевел на научный язык обыденные представления о пространстве, которое он считал однородным, изотропным и абсолютным.

Чтобы объединить особенности распространения света в движущихся телах, Эйнштейн предложил свою теорию относительности, в которой свойства пространства кардинально отличаются от привычных представлений, начинают зависеть от распределения в нем тяготеющих масс и их движений, и оно становиться неевклидовым.

Для Ньютона время - абсолютно и является мерой длительности всех механических процессов. Оно однородно, т.е. все временные сдвиги симметричны, поэтому понятие начала не имеет смысла. Понимание времени как внешнего параметра сохранилось и в теории относительности, хотя ход времени стал зависеть от наличия движущейся материи.

СПИСОК ИСЛОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

пространство время закон ньютон относительность

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред.акад. РАН М. Ф. Жукова. - Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997. - 832с.

Яворский Б. М. Физика для школьников старших классов и поступающих в вузы: учеб.пособие/Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. - 7-е изд., стереотип.-М: Дрофа, 2004. - 795с.

1. Размещено на www.allbest.ru