Что определяет пространство и время в физике
Содержание:
Пространство и время:
Структурные уровни физического мира
Вся доступная для наблюдения часть материального мира, который нас окружает, называется Вселенной.
Мельчайшими объектами Вселенной являются микрочастицы — молекулы, атомы и их составляющие. Мир молекул, атомов и их составляющих называют микромиром (рис. 1.29).
В микромире действуют законы, заметно отличающиеся от тех, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни. Так, одна из составляющих атома микрочастица, нейтрон может свободно проникать сквозь толстые стены. Законы, по которым «живут* микрочастицы, изучает квантовая физика. Благодаря ее достижениям появились современные компьютеры, мобильные телефоны, цифровые видео- и аудиопроигрыватели и другая «умная* бытовая техника.
Атомы или молекулы могут объединяться в большие скопления — макроскопические тела. Примерами макроскопических тел прежде всего являются сам человек, а также все физические тела, которые его окружают (дерево, дом, шкаф, стол, книга и т. п.).
Земля и другие планеты являются макроскопическими телами астрономического масштаба. Мир планет и физических тел, которые окружают человека, а также сам человек составляют макромир (см. рис. 1.30). В макромире господствует классическая физика. На основе законов классической физики человечество создало гигантские сооружения, гидро- и тепловые лектростанции, станки и технические устройства, современные средства передвижения — поезда, автомобили, самолеты, ракеты. 
Однако макромир — всего лишь «песчинка* во Вселенной. Крохотные «светлячки* звезд на ночном небе на самом деле представляют собой гигантские шары раскаленного газа, размеры которых зачастую намного превышают размеры нашего Солнца. Расстояния между разбросанными во Вселенной звездами огромны: чтобы добраться до ближайшей к Солнцу звезды, двигаясь со скоростью пассажирского поезда, понадобилось бы около 30 млн лет. Изменения в этом мире происходят настолько медленно, что время человеческой жизни кажется коротким мгновением. Так, наше Солнце возникло около 5000 млн лет назад и будет светить еще примерно 8000 млн лет.
Расстояния здесь измеряются в миллионах километров, время — в миллионах лет. Помните, какая из кратных приставок означает «миллион*? Верно — «мега*. Поэтому ученые и называют мир звезд, звездных скоплений — галактик и других гигантских космических объектов мегамиром (рис. 1.31). Строение и эволюцию мегамира изучает специальная наука — космология.
Последовательность событий и продолжительность события
Пространство и время являются своеобразной ареной, на которой «разыгрываются,, все явления и процессы, происходящие в окружающем нас мире. Чтобы дать полное описание какого-нибудь события, мы
обязательно должны указать не только где, но и когда это событие произошло. Например, наблюдая за соревнованиями легкоатлетов (рис. 1.32), мы всегда фиксируем (хотя часто и не задумываемся об этом) момент времени и положение спортсмена в пространстве. В ином случае определить победителя было бы невозможно.
При этом мы хорошо понимаем, что спортсмен, который первым пересек финишную черту, сделал это до того, как финишировали остальные участники забега. То есть речь идет о последовательности событий, когда одно из них происходит раньше, чем другие.
Однако даже выяснив, кто стал победителем в отдельном забеге, мы не будем знать победителя в соревнованиях, если не измерим отрезок времени с момента старта спортсмена до его финиша — чтобы сравнить с результатами остальных участников. То есть, как говорят физики, необходимо установить продолжительность события.
Продолжительность события — это промежуток времени, в течение которого это событие происходит.
Таким образом, для того чтобы определить и продолжительность одного события, и последовательность всех событий, мы измеряем промежуток времени. Различие заключается в выборе начальных моментов, от которых ведется отсчет времени. Определяя продолжительность данного события, за начальный момент мы принимаем момент начала самого события. При определении последовательности событий начальный момент связывают с началом одного общего для всех события.
Например, осенние каникулы (событие) начались 25 октября и продолжались 8 дней. В данном случае промежуток времени 8 дней означает продолжительность события. За начало отсчета времени принимаем начало самих каникул.
Дата 25 октября указывает на последовательность событий, а за начало отсчета времени принимаем начало календарного го
Единицы времени
Как измерить время? Ответ на этот вопрос подсказала людям сама природа. Дело в том, что многие процессы, происходящие в природе, являются периодическими.
Периодическим называют такой процесс, который последовательно повторяется через равные промежутки времени.
Продолжительность одного такого процесса может служить единицей времени. Например, вращение Земли вокруг своей оси — периодический процесс. Поэтому еще с древнейших времен за единицу времени принимались сутки — продолжительность одного полного оборота Земли вокруг своей оси. Затем сутки разделили на равные доли, получив такие единицы времени, как час (ч), минута (мин), секунда (с). Час — это 1/24 часть суток, минута — 1/60 часть часа, а секунда — 1/60 часть минуты.
Устанавливая эти единицы, люди считали, что продолжительность полного оборота Земли вокруг ее оси всегда одинакова. Однако измерения, проведенные учеными с помощью современных приборов, показали, что это не совсем так. Зато периодические процессы в микромире оказались более стабильными. Поэтому для большей точности измерения времени был создан эталон*, основанный на периодических процессах, происходящих внутри атома (рис. 1.33). С помощью атомного эталона воспроизводят единицу времени в СИ — секунду (с).
Самым распространенным прибором для измерения времени являются часы. Часы могут отличаться и конструкцией, и точностью измерений (рис. 1.34), однако их действие всегда основано на одном из периодических процессов. 
Вся доступная для наблюдения часть материального мира называется Вселенной. Все объекты во Вселенной разделяются на микро-, макро- и мегамир: микромиром называют мир атомов и мельчайших частиц, из которых они состоят; к макромиру относится мир планет и физических тел, которые окружают человека, а также сам человек; мегамиром называют мир звезд, звездных скоплений — галактик, а также других подобных объектов.
Эталон — это тело или устройство для хранения и воспроизведения единицы физической величины.
Мир, который нас окружает, существует в пространстве и во времени.
Измерение времени вызвано необходимостью получить ответ на два вопроса: «Как долго определенное событие происходило?» и «Когда это событие происходило?». Ответ на эти вопросы позволяет определить продолжительность и последовательность событий.
За единицу времени принимают продолжительность того или иного периодического процесса. В СИ в качестве единицы времени используется секунда.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?
Квантовая механика странная. Для нас, существ, не способных видеть микромир не вооруженным глазом, представить себе как все устроено на уровне атомов довольно сложно. Между тем, согласно атомной теории, все во Вселенной состоит из мельчайших частиц – атомов, скрепленных друг с другом электрическими и ядерными силами. Физические эксперименты, проведенные в ХХ веке показали, что атомы можно дробить на еще более мелкие, субатомные частицы. В 1911 году британский физик Эрнест Резерфорд провел ряд экспериментов и пришел к выводу, что атом похож на Солнечную систему, только по орбитам вместо планет вокруг него вращаются электроны. Два года спустя, взяв за основу модель Резерфорда, физик Нильс Бор изобрел первую квантовую теорию атома и в этой области теоретической физики все стало еще сложнее. Но если квантовая механика объясняет как взаимодействуют между собой мельчайшие частицы, может ли она объяснить существование пространства-времени?
Ученые ищут ответ на вопрос о том из чего состоит пространство-время уже много лет, но пока безуспешно
Что такое пространство-время?
Уверена, большинство из нас воспринимают пространственно-временной континуум как нечто, само собой разумеющееся. И в этом нет ничего удивительного, ведь не каждый день мы размышляем над чем-то подобным. Но если хорошенько задуматься, то окажется, что ответить на вопрос о том, что представляет собой пространство-время не так уж просто.
Начнем с того, что в соотвествии с теорией относительности (ОТО) Эйнштейна, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение. При этом все четыре измерения органически связаны в единое целое, являясь почти равноправными и в определенных рамках и условиях способными переходить друг в друга. В свою очередь пространственно-временной континуум или пространство-время – это физическая модель, дополняющая пространство временным измерением.
В рамках общей теории относительности пространство-время также имеет единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами и есть гравитация.
В рамках ОТО теория гравитации и есть теория пространства-времени, которое не является плоским и способно менять свою кривизну.
Из ОТО также следует, что гравитация является результатом массы, такой как планета или звезда, искажающая геометрию пространства-времени. Космический аппарат NASA Gravity Probe, запущенный в 2004 году, точно измерил, насколько гравитация Земли искривляет пространство-время вокруг нее, в конечном итоге подтвердив расчеты Эйнштейна. Но откуда взялось пространство-время? Ответ, как это ни странно, может скрывать в себе квантовая механика.
Квантовая механика и теория гравитации
Как пишет портал Astronomy.com, сегодня физики стоят на пороге революции, которая может привести к пересмотру всего что мы знаем о пространстве-времени и, возможно, к объяснению того, почему квантовая механика кажется такой странной.
«Пространство-время и гравитация должны в конечном итоге возникнуть из чего-то другого», – пишет физик Брайан Свингл из Университета Мэриленда в статье, опубликованной в журнале Annual Review of Condensed Matter Physics. Иначе трудно понять, как гравитация Эйнштейна и математика квантовой механики могут примирить их давнюю несовместимость.
Квантовая механика противоречит ОТО
Взгляд Эйнштейна на гравитацию как проявление геометрии пространства-времени был чрезвычайно успешным. Но то же самое относится и к квантовой механике, которая с безошибочной точностью описывает махинации материи и энергии на атомном уровне. Однако попытки найти математическое решение, которое совместило бы квантовую странность с геометрической гравитацией, наталкивались на серьезные технические и концептуальные препятствия.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Google News чтобы не пропустить ничего интересного.
По крайней мере, так было долгое время при попытках понять обычное пространство-время. Возможный ответ пришел из теоретического изучения альтернативных геометрий пространства-времени, мыслимых в принципе, но обладающих необычными свойствами. Одна из таких альтернатив известна как антидеситтеровское пространство, которое имеет тенденцию сжиматься само по себе, а не расширяться, как это делает Вселенная. Для жизни, безусловно, это было бы не самое приятное место. Но как лаборатория для изучения теорий квантовой гравитации, оно может многое предложить и даже стать ключом к квантовым процессам, которые могут быть ответственны за создание пространства-времени.
Что такое антидеситтеровское пространство?
Исследования антидеситтеровское пространства предполагают, например, что математика, описывающая гравитацию (то есть геометрию пространства-времени), может быть эквивалентна математике квантовой физики в пространстве с одним меньшим измерением.
Представьте себе голограмму — плоскую двумерную поверхность, которая включает в себя трехмерное изображение. Подобным же образом, возможно, четырехмерная геометрия пространства-времени может быть закодирована в математике квантовой физики, работающей в трехмерном пространстве. Или, может быть, нужно больше измерений — а вот сколько измерений требуется, являются частью проблемы, которую нужно решить.
Квантовая запутанность – одна из сложнейших для понимания научных теорий
Во всяком случае, исследования в этом направлении открыли удивительную возможность: само пространство-время может быть порождено квантовой физикой, в частности загадочным явлением, известным как квантовая запутанность. Подробно о том, что представляет собой квантовая запутанность я рассказывала в этой статье.
Если попробовать объяснить более-менее простыми словами, то квантовая запутанность это сверхъестественная связь между частицами, разделенными огромными расстояниями. Испускаемые из общего источника, такие частицы остаются запутанными независимо от того, как далеко они друг от друга находятся. Если вы измерите свойство (например, спин) одной частицы, то узнаете, каким будет результат измерения спина другой частицы. Но до измерения эти свойства еще не определены, что противоречит здравому смыслу и подтверждается многими экспериментами. Кажется, что измерение в одном месте определяет, каким будет измерение в другом отдаленном месте.
Энергичные усилия нескольких физиков подарили миру теоретические доказательства того, что сети запутанных квантовых состояний плетут ткань пространства-времени. Эти квантовые состояния часто описываются как «кубиты» — биты квантовой информации. Запутанные кубиты создают сети с геометрией в пространстве с дополнительным измерением, выходящим за пределы числа измерений, в которых находятся кубиты. Таким образом, квантовую физику кубитов можно приравнять к геометрии пространства с дополнительным измерением.
Примечательно, что геометрия, созданная запутанными кубитами, может очень хорошо подчиняться уравнениям из общей теории относительности Эйнштейна, которые описывают движение под действием гравитации — по крайней мере, последние исследования указывают в этом направлении.
Подводя итог отмечу, что никто точно не знает, какие квантовые процессы в реальном мире ответственны за соткание ткани пространства-времени. Возможно, некоторые допущения, сделанные в уже имеющихся расчетах, окажутся ошибочными. Но вполне возможно, что физика стоит на пороге проникновения в основы природы глубже, чем когда-либо. В существование, содержащее ранее неизвестные измерения пространства и времени.
Пространство и время
Что такое пространство и время. Понятие о теории относительности
Механика изучает законы движения (перемещения) и взаимодействия тел. Эти законы являются обобщением наблюдений над окружающими явлениями. Примерно до начала текущего столетия эти наблюдения ограничивались телами, имеющими значительную массу (грамм, килограмм), скорости движения которых относительно малы и во всяком случае несоизмеримы со скоростью света.
Для краткости эти тела называют макроскопическими. Для них и была разработана механика, получившая название классической или ньютонианской.
В начале текущего столетия физика проникла в микромир — так условно называется мир атомов и элементарных частиц, т. е. тел, имеющих ничтожно малую массу и движущихся со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Оказалось, что во многих случаях при этом законы классической механики имеют только приближенный характер.
Не укладывались в рамки классической механики и некоторые вновь открытые явления в области макромира, особенно при движении тел с большими скоростями. В связи с этим были созданы две новые более универсальные теории:
Любые физические явления и прежде всего движение тел происходят в пространстве и во времени. Поэтому научные представления о пространстве и времени имеют фундаментальное значение для физики.
Пространство и временя в физике
Классическая физика основывалась на представлениях об абсолютных пространстве и времени, введенных в науку Ньютоном. Согласно, Ньютону пространство есть беспредельная пустота, существующая сама по себе, независимо от того, есть ли в ней какие-либо тела или нет.
Пространство имеет три измерения:
Оно неподвижно и неизменно, но проницаемо для тел. Через находящиеся в нем тела оно и познается.
Время по Ньютону есть существующая сама по себе бесконечная длительность. Время течет равномерно и безостановочно от прошлого к будущему, независимо от того происходят при этом какие-либо события или не происходят. Однако определенные промежутки времени отличаются по происходящим в них событиям. Время может быть измерено посредством точно повторяющихся в нем материальных процессов, например вращения земли вокруг оси, колебаний маятника и т. п.
Такие представления вполне соответствовали современным Ньютону взглядам на мир, на материю как совокупность тел, состоящих из неделимых частиц (атомов), которые существуют в абсолютных пространстве и времени.
Однако по мере развития физики эти взгляды постепенна обнаруживали свою несостоятельность и, наконец, в начале текущего столетия были заменены новыми представлениями, развитыми в теории относительности, которая была создана А. Эйнштейном (в 1905 г. — специальная часть, в 1915 г. — общая теория).
Что такое т еория относительности
Теория относительности представляет собой физическую теорию, рассматривающую с новой точки зрения общие пространственно-временные отношения в материальном мире. Название теории связано с тем, что в ней принцип относительности, установленный в свое время в классической механике, был распространен на любые явления природы.
Напомним, что принцип относительности движения в механике заключается в том, что взаимное перемещение тел в замкнутой системе (т. е. системе, на которую не действуют внешние силы) не зависит от того, находится эта система в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения (системы тел, двигающиеся одна относительно другой равномерно и прямолинейно, называются инерциальными системами).
Из принципа относительности следует, что одно и то же движение тела, происходящее в какой-либо инерциальной системе, будет наблюдаться различно, если наблю датель с ней связан (т. е. систе ма по отношению к нему неподвижна) и если он от нее не зависим, т. е, сама система двигается по отношению к наблюдателю равно мерно и прямолинейно. Можно сказать и более обще: одно и то же движе ние тела наблюдается различно в различных инерциальных системах.
Пример теории относительности
Например, пассажир Л, сидящий в вагоне двигающегося поезда, наблюдает падение предмета по вертикальной линии, тогда как наблюдатель Б, неподвижный относительно земли, при достаточно большой скорости поезда видит как предмет, падая, описывает кривую, называемую параболой (рис.).
Основное положение теории относительности устанавливает, что равномерное и прямолинейное движение замкнутой материальной системы как целого не влияет на ход любых процессов, происходящих внутри системы, или, что законы природы одинаковы во всех инерциальных системах.
Вторым, не менее важным положением теории относительности является утверждение о постоянстве скорости света: скорость света в вакууме является величиной постоянной, независящей от относительного равномерного и прямолинейного движения источника света и наблюдателя. Или, другими словами, скорость света в вакууме во всех направлениях в любых инерциальных системах одинакова. При этом скорость света в вакууме является максимально возможной в природе скоростью движения тел или скоростью распространения взаимодействия между ними.
На основании этих положений в теории относительности доказывается, например, что промежуток времени между какими-либо двумя событиями зависит от того, в какой инерциальной системе эти события рассматриваются. Например, события, одновременные в одной системе, будут наблюдаться неодновременными в другой и т. д. Течение времени в различных инерциальных системах отличается. Время не является абсолютным, оно связано с материальной системой тел, в которой наблюдается, следовательно, время относительно.
Расстояния между движущимися телами зависят от того, в какой инерциальной системе они наблюдаются. Поэтому и размеры тел в направлении движения в различных инерциальных системах также отличаются. Нет абсолютного пространства, оно связано с материальными объектами, следовательно, пространство относительно.
Связь между временем и пространством
Пространство и время взаимосвязаны и обусловливаются свойствами тел или явлений. Физическую реальность имеет только совокупная пространственно-временная характеристика событий. Она является четырехмерной величиной (три ее координаты х, у, z связаны с пространством, четвертая t— со временем).
Обычно пользуются величиной, которая называется пространственно-временным интервалом и представляет собой пространственно-временную разность между какими-либо двумя событиями. Подобно скорости света величина пространственно-временного интервала одинакова во всех инерциальных системах.
Такой взгляд на пространство и время находится в полном соответствии с положением диалектического материализма о том, что пространство и время есть формы существования материи: «В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени».
Пространство выражает непрерывность или прерывность, ограниченность, или неограниченность полей и тел, их относительные размеры и взаимное расположение. Время характеризует последовательность событий, совместность или отделенность их друг от друга, их относительную длительность.
В теории относительности устанавливается зависимость массы тел от скорости их движения, а также пропорциональность массы и энергии.
Заметим, что все эти положения теории относит ельности могут быть выражены математическими формулами (за кратко стью изложения они здесь не приводятся), а также подтверждаются соответствующими наблюдениями или экспериментами. Однако существенное практическое значение все эти положения имеют только при скоростях движения тел, соизмеримых со скоростью света.
Значение теории относительности
Теория относительности имеет исключительно большое научно-теоретическое значение, так как, во-первых, она дает наиболее правильное решение вопроса о пространстве и времени как физических величинах и, во-вторых, ее законы более точны и универсальны сравнительно с законами классической механики, однако практически она используется пока только в специальных областях физики и техники.
В широкой практике окружающих макротел вполне закономерно пользоваться данными классической механики, так как поправки к ним, которые вносит теория относительности, в данном случае ничтожно малы и учитывать их не имеет никакого смысла.
Статья на тему Пространство и время
Похожие страницы:
Понравилась статья поделись ей