Философские основания и выводы теории относительности - Истоки относительности. Принцип относительности Галилея

Оглавление:

Пространство и время являются основными формами существования материи. Все существующие объекты, которые не могут существовать иначе как в пространстве и времени, существуют в этих формах.

Многие науки занимаются проблемой пространства и времени. Как философские категории, пространство и время рассматриваются, с одной стороны, как объективные свойства реального мира, отраженные в нашем сознании, и, с другой стороны, как атрибуты материи.

Пространство — это «форма существования материи, характеризующаяся такими свойствами, как протяженность, структура, сосуществование и взаимодействие». Пространство — это, прежде всего, взаимное расположение вещей и процессов друг вокруг друга, их протяженность и определенный порядок взаимосвязи. Он трехмерный и обратимый».

Время — это «форма существования материи, выражающая длительность бытия и последовательность изменения состояния всех материальных систем и процессов в мире». К основным свойствам времени относятся продолжительность, изменение, развитие. Время одномерно и необратимо».

Проблема взаимосвязи категорий материи, пространства и времени рассматривается в двух основных терминах — субстанциональном (от лат. substantia — то, что лежит в основе; сущность; Демокрит, Эпикур, Ньютон) и реляционном (от лат. relatio — отношение; Аристотель, Лейбниц, Эйнштейн).

В истории философии существуют две точки зрения на отношение пространства и времени к материи.

Первую из них условно можно назвать материальной концепцией. Она рассматривает пространство и время как отдельные сущности, существующие вместе с материей и независимо от нее. Соответственно, отношения между пространством, временем и материей были представлены как отношения между двумя видами независимых субстанций. Это привело к выводу о независимости свойств пространства и времени от характера происходящих в них материальных процессов.

Вторая концепция называется реляционной. Его приверженцы понимали пространство и время не как самостоятельные сущности, а как систему отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами. Вне этой системы взаимодействий пространство и время считались несуществующими. В этой концепции пространство и время предстали как общие формы координации материальных объектов и их состояний. Соответственно, была признана и зависимость свойств пространства и времени от характера взаимодействия материальных систем.

Различие рассмотренных подходов оказывается в нюансах исходных постулатов: в субстанциональном подходе материя постулируется в неидентифицируемых современными экспериментальными технологиями формах и ее упорядоченное движение, в реляционных подходах материя постулируется в известных формах и порядок движения не упоминается. То есть, мы можем сделать вывод, что содержательный и реляционный подходы не противоречат друг другу, а дополняют друг друга.

A. Теория относительности Эйнштейна — это физическая теория, которая рассматривает пространственно-временные свойства физических процессов. Поскольку законы, установленные относительностью, являются общими для всех физических процессов, их обычно называют просто свойствами пространства-времени. Эти свойства зависят от гравитационных полей в конкретной области пространства-времени. Теория, описывающая свойства пространства-времени в приближении, в котором гравитационными полями можно пренебречь, называется специальной или частичной относительностью, или просто относительностью. Свойства пространства-времени в присутствии гравитационных полей изучаются в общей теории относительности, также называемой теорией гравитации Эйнштейна. Физические явления, описываемые относительностью, называются релятивистскими и происходят при скоростях v тел, близких к скорости света в вакууме.

В основе относительности лежат два постулата: принцип относительности, означающий равенство всех инерциальных систем отсчета, и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости источника света. Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой — преобразования Лоренца, для которых характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени).

Теория относительности выявила ограниченность представлений классической физики об «абсолютном» пространстве и времени, неправомерность их отделения от движущейся материи; она дает более точное, по сравнению с классической механикой, представление об объективных процессах реальной действительности.

Истоки относительности. Принцип относительности Галилея

Рассмотрим две космические ракеты. Относительно основной системы отсчета одна из них — назовем ее «альфа» — находится в покое, а другая — «бета» — движется равномерно и прямолинейно со скоростью V. Для краткости назовем физика, наблюдающего и рассуждающего в системе «альфа», альфа-центристом, а физика, использующего систему «бета», бета-центристом (удобнее всего представить, что каждый из них находится в соответствующей ракете, но это не обязательно: пассажир ракеты «альфа» может иногда по каким-то причинам предпочесть отнести все движения к ракете «бета»).

В системе «бета» шар B находится в состоянии покоя, а в системе «альфа» он движется прямолинейно с постоянной скоростью V. Какое из этих двух утверждений — покоящееся или движущееся — лучше согласуется с законами Ньютона?

Первый закон Ньютона одинаково хорошо применим к сохранению покоя и сохранению равномерного прямолинейного движения; таким образом, он одинаково хорошо применим в обеих системах.

Второй закон движения Ньютона задается формулой

Где F — сила, a — ускорение, а m — масса. Например, если к мячу приложить силу B, направленную влево, то он получит ускорение, направленное в ту же сторону.

Наблюдатель в альфа-ракете заметит, что мяч постепенно замедляется, а наблюдатель в бета-ракете заметит, что изначально неподвижный мяч начинает двигаться влево. Однако и те, и другие обнаружат, что это происходит в полном соответствии с формулой второго закона Ньютона. Наконец, их мнения расходятся только в отношении скоростей, но не ускорения шарика: например, если альфа-центрист считает, что скорость шарика изменилась от V до нуля, то бета-центрист считает, что скорость изменилась от нуля до — V , то есть на ту же величину — V . А одинаковое изменение скорости в единицу времени означает одинаковое ускорение. Что касается силы F, то она может зависеть от различных факторов, в зависимости от ее природы.

Например, сила пружины при растяжении определяется ее материалом, геометрическими размерами и относительным удлинением; давление сжатого газа — его молекулярным объемом и температурой; сопротивление движению в данной среде — формой и геометрическими размерами движущегося тела и его относительной скоростью относительно жидкости или газа. Все эти факторы объединяет то, что они совершенно не зависят от выбора системы отсчета. В классической механике нам не приходилось иметь дело с силами, величина или направление которых зависели бы от скорости относительно системы отсчета (единственное исключение — магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов; но эти силы относятся к области электродинамики, поэтому у нас еще будет повод поговорить о них подробно). Измерение силы с помощью динамометра также дает абсолютно одинаковые результаты в системах «альфа» и «бета» (поскольку равновесие сил с одинаковым основанием может быть найдено как в состоянии покоя, так и в состоянии равномерного прямолинейного движения). Как видим, благодаря сходству (или, как говорят физики, инвариантности) ускорений и сил в обеих рассмотренных системах считывания, они одинаково хорошо удовлетворяют второму закону Ньютона, т.е. существует прямая пропорциональность между действующей силой F и вызванным ею ускорением a . Коэффициент пропорциональности m, т.е. масса тела как мера его инерции, также оказывается одинаковым в обоих случаях. Еще проще понять, что третий закон Ньютона («Если тело A действует на тело B с силой F , то тело B действует на тело A с силой F равной по величине и противоположной по направлению») выполняется не только в системе «альфа», но и в системе «бета».

Общая теория относительности

В 1915 году Эйнштейн завершил работу над новой теорией, объединившей теорию относительности и теорию тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности (ОТО). После этого теория, предложенная Эйнштейном в 1905 году, которая не учитывала гравитацию, стала известна как специальная теория относительности.

В этой теории, которая является дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, расположенных в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, связанной, в частности, с наличием массы-энергии. Поэтому в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий гравитации тем, что она использует уравнения Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с материей, присутствующей в пространстве.

Общая относительность основана на двух постулатах специальной относительности и формулирует третий постулат — принцип эквивалентности инерционной и гравитационной масс. Основным выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных свойств в гравитационных полях (и не только при движении с большими скоростями). Этот вывод связывает ОТО с геометрией, т.е. геометризация гравитации наблюдается в ОТО. Классическая геометрия Евклида не подходила для этой цели. Новая геометрия появилась в XIX веке. В работах русского математика Н.И. Лобачевского, немца Б. Римана и венгра Я. Больяи.

Геометрия нашего пространства оказалась неевклидовой.

ГРТ — это физическая теория, основанная на ряде экспериментальных фактов. Давайте рассмотрим некоторые из них. Гравитационное поле влияет не только на движение массивных тел, но и на свет. Луч света отклоняется в поле солнца. Измерения, проведенные в 1922 году английским астрономом А. Эддингтоном во время солнечного затмения, подтвердили это предсказание Эйнштейна.

В ОТО орбиты планет не замкнуты. Небольшой эффект такого рода можно описать как вращение перигелия эллиптической орбиты. Перигелий — это ближайшая к Солнцу точка на орбите небесного тела, которое движется по эллипсу, параболе или гиперболе вокруг Солнца. Астрономы знают, что перигелий орбиты Меркурия вращается примерно на 6000″ в столетие. Это объясняется гравитационными возмущениями со стороны других планет. Это оставило невосполнимое отставание примерно на 40 дюймов в столетие. В 1915 году Эйнштейн объяснил это несоответствие в контексте ОТО.

Есть объекты, где GR-эффекты играют решающую роль. К ним относятся черные дыры. «Черная дыра» возникает, когда звезда сжимается настолько сильно, что присутствующее гравитационное поле даже не излучает свет в пространство. Поэтому от такой звезды не исходит никакой информации. Многочисленные астрономические наблюдения указывают на реальное существование таких объектов. ГР дает четкое объяснение этому факту.

В 1918 году, основываясь на ОТО, Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн: массивные тела, движущиеся с ускорением, излучают гравитационные волны. Гравитационные волны должны распространяться с той же скоростью, что и электромагнитные волны, т.е. со скоростью света. По аналогии с квантами электромагнитного поля, принято говорить о гравитонах как о квантах гравитационного поля. Возникает новая отрасль науки — гравитационно-волновая астрономия. Есть надежда, что гравитационные эксперименты дадут новые результаты.

Свойства пространства-времени в ОТО зависят от распределения гравитационных масс, а движение тел определяется кривизной пространства-времени.

Однако влияние масс сказывается только на метрических свойствах часов, поскольку при прохождении между точками с разными гравитационными потенциалами меняется только частота. Иллюстрацией относительного хода времени по Эйнштейну может служить обнаружение процессов вблизи предсказанных им черных дыр.

Проблема пространства и времени в специальной теории относительности А. Эйнштейна

В сентябре 1905 года в немецком журнале «AnnalenderPhysik» появилась статья Эйнштейна «Об электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основы специальной теории относительности, которая объяснила как отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли, так и значение преобразования Лоренца, и содержала новый взгляд на пространство и время.

Он увидел, что за преобразованиями Галилея стоит определенная концепция пространственно-временных отношений, которая не соответствует физическому опыту и реальным пространственно-временным отношениям вещей. Таким слабым звеном в фундаментальных основах классической механики было понятие абсолютной одновременности событий. Это понятие, не осознавая его сложной природы и не объясняя его, использовала классическая механика.

По мнению автора, появлению статьи Эйнштейна «Об электродинамике движущихся тел», в которой впервые были изложены основы теории относительности, предшествовали 7-10 лет упорных размышлений о влиянии движения тел на электромагнитные явления. Прежде всего, Эйнштейн пришел к твердому убеждению в универсальности принципа относительности, то есть к выводу, что в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы отсчета абсолютно равноправны. Одновременно с принципом относительности Эйнштейну казалось очевидным и существование инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он писал, что еще в 1896 году «у него возник вопрос: если бы мы могли отслеживать световую волну со скоростью света, было бы перед нами волновое поле, не зависящее от времени? Конечно, такое кажется невозможным!» .

Как можно совместить эти два принципа? Их одновременная работа кажется невозможной.

Однако Эйнштейн находит выход из этой парадоксальной ситуации, анализируя понятие одновременности. Этот анализ приводит его к выводу об относительном характере концепции. В осознании относительности одновременности лежит кульминация всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и времени — основных понятий всего естествознания.

В классической физике всегда предполагалось, что можно просто говорить об абсолютной одновременности событий во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал ошибочность этого представления.

Новое понимание одновременности, осознание ее относительности приводит к необходимости признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, необходимо одновременно отметить его границы на шкале. Но то, что является одновременным для наблюдателя в состоянии покоя, уже не является одновременным для наблюдателя в движении, поэтому длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть разной.

На следующем этапе формирования специальной теории относительности Эйнштейн придает математическую форму этим общим мысленным рассуждениям и, в частности, выводит формулы для преобразования координат и времени — «преобразования Лоренца». Но для Эйнштейна эти преобразования уже имеют другой смысл. Одно и то же тело имеет разную «истинную» длину, когда оно движется с разной скоростью относительно шкалы, используемой для измерения этой длины. То же самое можно сказать и о времени. Интервал времени, в течение которого длится процесс, различен при измерении часами, идущими с разной скоростью. В теории Эйнштейна величины тел и интервалы времени теряют свой абсолютный характер, ранее приписываемый им, и приобретают значение относительных величин, зависящих от относительного движения тел и приборов, с помощью которых производилось их измерение. Они имеют такое же значение, как и уже известные относительные величины, такие как скорость, траектория и т.д.

Из этого Эйнштейн делает вывод о необходимости изменения представлений о пространстве-времени, разработанных классической физикой.

Создание специальной теории относительности (СТО) стало качественно новым шагом в развитии физических знаний. СТО отличается от классической механики тем, что наблюдатель органично входит в физическое описание релятивистских явлений с помощью средств наблюдения.

Экспериментальные подтверждения относительности, приводящие к изменению свойств времени и пространства:

В 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца во время полного солнечного затмения, что подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное число предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока только косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждение одного из самых загадочных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования черных дыр.

Существует ряд других эффектов, которые можно проверить экспериментально. К ним относятся отклонение и замедление (эффект Шапиро) электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера, эффект Лензе-Тирринга (гироскопическая прецессия вблизи вращающегося тела), астрофизические доказательства существования черных дыр, доказательства излучения гравитационных волн близлежащими системами бинарных звезд, а также расширение Вселенной.

До сих пор не было найдено надежных экспериментальных доказательств, опровергающих ОТО. Отклонения измеренных значений эффектов от предсказанных ГР не превышают 0,1% (для трех классических явлений, упомянутых выше). Однако существуют явления, которые не объясняются ОТО: эффект «Пионера»; эффект пролета; увеличение астрономического единства; квадруполь-октупольная аномалия фонового микроволнового излучения; темная энергия; темная материя.

В связи с этими и другими проблемами ОТО (отсутствие тензора энергии-момента гравитационного поля, невозможность квантования ОТО) теоретики разработали не менее 30 альтернативных теорий гравитации, и некоторые из них позволяют получить результаты, близкие к ОТО при соответствующих значениях параметров, входящих в теорию.

Таким образом, все известные научные факты подтверждают справедливость общей теории относительности, которая является современной теорией гравитации.

Вселенная — это окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, времени и в разнообразии форм наполняющего его вещества и их превращений.

Мир един, гармоничен и в то же время имеет многоуровневую организацию. Вселенная — это мегамир. Не существует жесткой границы, четко разделяющей микро-, макро- и мегамиры. Хотя они, несомненно, качественно отличаются друг от друга, они взаимосвязаны. Итак, наша Земля — это макрокосм, но как одна из планет нашей Солнечной системы, она также является элементом мегамира. Вселенная представляет собой упорядоченную систему отдельных, взаимосвязанных элементов разного порядка. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетарные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Звезды вместе со своими планетарными системами и межзвездной средой образуют галактики. Галактика — это гигантская звездная система, в центре которой вращается более 100 миллиардов звезд. Внутри галактик можно увидеть звездные скопления. Звездные скопления — это группы звезд, разделенных расстоянием, меньшим, чем обычное межзвездное расстояние. Звезды в такой группе связаны общим движением в пространстве и имеют общее происхождение. Галактики образуют метагалактику. Метагалактика — это большая совокупность отдельных галактик и скоплений галактик.

В современной интерпретации чаще всего отождествляются термины «метагалактика» и «Вселенная». Иногда, однако, метагалактику интерпретируют как просто видимую часть Вселенной, сводя Вселенную к бесконечности. Однако если предположить, что за пределами метагалактики существует космический вакуум, то такую форму материи трудно отнести к Вселенной, поскольку там нет ни стабильных элементарных частиц и атомов, ни звезд, ни галактик. Поэтому философская концепция материального мира, частью которого является Вселенная или метагалактика, больше подходит для бесконечного мира.

На странице рефераты по философии вы найдете много готовых тем для рефератов по предмету «Философия».

Здесь темы курсовых работ по философии

Читайте дополнительные лекции: