Рух, простір, час, матерія

Який досвід виявив протиріччя з класичними уявленнями? Яка теорія змінила наші погляди на простір, час і матерію? Що означає взаємозв’язок простору і часу і як вона проявляється на досвіді? Що означає вплив матеріальних тіл на простір і час і в яких дослідах це проявляється?

Урок-лекція

КЛАСИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРОСТОРУ, ЧАСУ І МАТЕРИИ. Згадаймо основні властивості простору і часу:

Ми живемо в тривимірному просторі. Це означає, що положення будь-якої точки в деякій вибраній системі відліку можна задати трьома числами – координатами. Координати точки залежать від вибору системи відліку, але відстані між двома будь-якими точками однакові у всіх системах відліку.
Простір і час не пов’язані між собою. Це означає, що вимірювання часу не залежить від руху годин в просторі, а вимір відстані не залежить від того, в якій інтервал часу воно виконується.
Вимірювання відстані і часу не залежить від властивостей тіл, що знаходяться в області простору, де проводиться вимірювання. Простір і час не залежать від матерії.
Точність наукових дослідів, що підтверджують ці властивості, була дуже висока, тому до XX ст. ці досвідчені факти, що здавалися очевидними, що не піддавалися сумніву. На початку XX ст. з’явилася теорія, розроблена Альбертом Ейнштейном, в якій ці фундаментальні поняття виявилися взаємопов’язаними. Нова теорія виявилася настільки незвичайної, що з нею пов’язують революцію в природознавстві, яка сталася на рубежі XIX-XX ст. Прочитавши цей параграф, ви, звичайно ж, не зможете зрозуміти теорію відносності, однак зрозуміти, як вона змінила погляди вчених на простір, час і матерію, цілком можливо.

В ЯКІЙ СИСТЕМІ ВІДЛІКУ ВИМІРЮВАТИ ШВИДКІСТЬ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ? Чи залежить швидкість хвилі від вибору системи відліку? Досвід, що стосується різних хвиль, давав ствердну відповідь. Так, наприклад, швидкість звуку, рівна 330 м / с, щодо нерухомого повітря змінювалася відповідно до закону складання швидкостей при русі приймача звуку щодо повітря.

В результаті розвитку теорії електромагнетизму англійським вченим Максвеллом було передбачене існування електромагнітних хвиль і обчислена швидкість їх поширення. Ця швидкість (близько 300 000 км / с) виявилася близька до швидкості світла, з чого був зроблений висновок про те, що світло є електромагнітною хвилею. До деякого часу залишалося відкритим питання, щодо чого теорія передбачає дану швидкість електромагнітних хвиль. Справа в тому, що всі доступні для людини системи відліку рухаються зі швидкостями, багато меншими швидкості світла. Тому зміна швидкості світла при переході з однієї системи відліку в іншу очікувалося настільки малим, що експериментальної точності не вистачало для того, щоб виявити цю зміну. Навіть Земля рухається навколо Сонця зі швидкістю рівною 1/10 000 від швидкості світла.

За аналогією зі звуком, який поширюється зі швидкістю 330 м / с щодо повітря, було зроблено припущення про те, що світло поширюється зі швидкістю 300 000 км / с щодо деякої субстанції, яку назвали ефіром. Ми і зараз користуємося цим словом, коли говоримо, наприклад, “в прямому ефірі”, “в ефірі радіостанція…”.

Гіпотеза ефіру, як і будь природно-наукова гіпотеза, потребувала перевірці досвідом. За допомогою дуже складної установки, заснованої на властивостях інтерференції світла, вчені Майкельсон і Морлі намагалися виявити рух Землі крізь ефір по зміні швидкості світла відносно Землі. Однак експеримент дав приголомшуючий негативний результат: незважаючи на достатню точність приладів, рух Землі щодо ефіру не було зафіксовано, оскільки швидкість світла щодо Землі в будь-який час доби і року виявлялося рівний постійній величині. Цей факт повністю суперечив класичним поглядам на властивості простору і часу. Саме сталість швидкості світла у будь-якій системі відліку було взято Ейнштейном за основу його теорії.

Досвід свідчить, що швидкість світла постійна у всіх системах відліку, що суперечить класичним уявленням про простір і час.

НОВІ УЯВЛЕННЯ ПРО простору і часу. У створеній Ейнштейном теорії відносності простір і час виявляються взаємопов’язаними. Цей зв’язок проявляється в тому, що вимірювання проміжків часу і відстаней у просторі виявляються залежними від того, в якій системі відліку проводять виміри. При переході з однієї системи відліку в іншу тимчасові (час між двома подіями) і просторові інтервали змінюються. Причому, якщо, наприклад, часовий інтервал між подіями подовжується, то просторовий – скорочується. Образно кажучи, час і простір можуть переходити один в одного. У зв’язку з цим вводиться уявлення про чотиривимірному просторі-часі.

Подовження тимчасових інтервалів і скорочення відстаней виявляються пропорційні коефіцієнту

Де v – швидкість системи відліку, а с – швидкість світла. У будь-яких доступних людині системах відліку цей коефіцієнт виявляється дуже близьким до одиниці. Саме тому досвід, накопичений в період розвитку фізики до XX ст. (у тому числі і ваш досвід), не дозволяв виявити дані властивості простору і часу.

Нові уявлення про простір і час, що виникли в результаті створення теорії відносності, пов’язують простір і час. Наслідком такого зв’язку виявляється залежність відстаней і часу від вибору системи відліку, в якій проводяться вимірювання,

Природно, такі незвичайні властивості простору і часу вимагали досвідченого підтвердження. В даний час існує величезна кількість дослідів з перевірки теорії відносності і не існує дослідів, суперечать їй.

МАТЕРИЯ ФОРМУЄ ПРОСТІР І ЧАС. У наш час бурхливого розвитку космонавтики навряд чи хто-небудь не чув про стан невагомості, випробовуваному космонавтами, і про перевантаження при старті ракети. Стан невагомості еквівалентно відсутності сили тяжіння, начебто все тяжіють маси (Земля, Сонце) знаходяться дуже далеко. Однак космічні кораблі рухаються близько від Землі, і сила тяжіння в космічному кораблі приблизно така ж, як і на поверхні Землі. Перевантаження еквівалентні таких перевантажень, які відчував би людина, перебуваючи на планеті з величезним тяжінням, чого насправді немає.

Проаналізувавши подібні факти (за часів Ейнштейна космонавтів ще не було), Ейнштейн взяв за основу постулат, що ніякими дослідами, проведеними усередині деякої системи відліку, не можна визначити, чим викликана сила тяжіння (відсутність сили тяжіння) – гравітацією або рухом системи відліку з прискоренням. Цей постулат був названий принципом еквівалентності і ліг в основу так званої загальної теорії відносності.

Наслідком цієї теорії було твердження про те, що матеріальні тіла впливають на простір, в якому вони розташовані, і на час в області простору, де вони розташовані. Простір викривляється поблизу матеріальних тіл, а час уповільнює свій хід. Ці слідства також були перевірені досвідом.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 4.00 out of 5)

Рух, простір, час, матерія