Развитие механики довольно тесным образом взаимосвязано с определенными представлениями о пространстве и времени. В рамках современной физики законы классической механики сформулированы как справедливые в отношении всего класса инерциальных систем.
Рисунок 1. Пространство и время в классической механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Однако в период обоснования классической механики ее создатели постоянно задавались вопросом существования инерциальных систем в принципе. Так, если допустить присутствие хотя бы одной такой системы, то можно предположить и существование бесчисленного множества таковых во Вселенной, поскольку любая движущаяся равномерно и прямолинейно относительно данной система также будет являться инерциальной.
Понятие пространства и времени
Рисунок 2. Представления о пространстве в классической механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Согласно утверждениям ученых, на Земле с определенной степенью точности соблюдается принцип инерции, однако, наряду с тем, наша планета представляет собой неинерциальную систему, поскольку совершает два типа вращения: вокруг Солнца и собственной оси. При этом физики исключают существование связанной с Солнцем инерциальной системы, что объясняется фактом вращения Солнца вокруг центра Галактики.
При этом проблемой ученых встал поиск ответа на вопрос: если ни одна действительная система отсчета не является строго инерциальной, не теряют ли при этом свою актуальность основные законы механики? Поиски ответа на данный вопрос и привели к формированию понятия абсолютного пространства.
Пространство и время – это определенные субстанции с самостоятельным существованием и не связанные с материальными телами.
Пространство, таким образом, представляется в формате совершенно неподвижного, а взаимосвязанная с ним система отсчета — строго инерциальной. Основные свойства времени и пространства находят свое главное отражение в преобразованиях Галилея, которые характеризуются следующим образом:
- Пространственные и временные координаты включены в уравнения неравноправно.
- Пространственная координата в движущейся системе будет зависимой как от пространственной, так и от временной координаты в неподвижной системе, а временная – исключительно от временной координаты в неподвижной, что исключает ее связь с пространственными.
- Время, таким образом, воспринимается как некая совершенно самостоятельная субстанция в отношении пространства.
Проблема пространства и времени в классической механике
Рисунок 3. Пространство и время в классической механике и СТО. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Проблема времени и пространства была тесным образом связана с концепциями дальнодействия и близкодействия. Дальнодействие представлялось учеными в качестве мгновенного распространения гравитационных и электрических сил сквозь абсолютное пустое пространство, где силы обретают свою конечную цель благодаря бесконечному источнику Вселенной.
В то же время концепцию близкодействия такие ученые, как Гюйгенс, Френель и Фарадей, связывали с восприятием пространства в формате протяженности вещества и эфира, где распространение света осуществляется с конечной скоростью в форме волн.
В более современном варианте понимание пространства и времени сформулировал в своей теории относительности А. Эйнштейн, предложивший новую интерпретацию реляционной концепции пространства и времени с естественнонаучным обоснованием.
Реляционная концепция времени и пространства получила последующее развитие и в работах А. Эйнштейна, где он распространил физический принцип относительности также и на неинерциальные системы. Поэтому, при создании теории для неинерциальных систем отсчета, Эйнштейн разработал общую теорию гравитации. Так, создающие сильные гравитационные поля объекты провоцируют искривление пространства, делая его неевклидовым и способствуя замедлению течения времени.
Таким образом, чем сильнее гравитационное поле, тем более медленно в нём протекает время, если сравнить с временем за пределами поля. Данные эффекты позднее были подтверждены в экспериментах с искривлением луча света вблизи солнца.
В 20 веке, таким образом, побеждает диалектико-материалистический подход к проблеме существования пространства и времени. Так, представление единого для всей Вселенной абсолюта заменяется версией о бесконечном количестве материальных тел, с каждым из которых у пространства и времени существует отдельная взаимосвязь. Это, в свою очередь, исключает существование времени и пространства отдельно от материи и дает представление о характере данных понятий как материальных процессов и форм существования материи.
Основные концепции пространства и времени
До 1915 г. пространство и время воспринимались в качестве некой зоны, исключающей влияние на нее всех происходящих в ее пределах процессов и событий. Тела перемещались, силы в то же время отталкивали и притягивали, однако время и пространство продолжали оставаться неизменными.
В теории Эйнштейна пространство и время представляются динамическими величинами в рамках процесса с движением тела и действия силы, провоцирующих изменение кривизны времени и пространства. При этом структура пространства-времени оказывает непосредственное воздействие на характер перемещения и действия сил.
В основе пространственно-временных свойств тела, в зависимости от скорости его передвижения, лежат следующие постулаты:
- Принцип относительности, согласно которому все законы природы считаются одинаковыми во всех инерциальных системах. Эйнштейн, таким образом, расширяет принцип относительности Галилея.
- Принцип постоянства скорости света, по которому скорость света равноправна во всех инерциальных системах отсчета и не является зависимой от направления распространения света от наблюдателя.
- Отказ от представления эфира в виде постоянной точки отсчета. Все системы отсчёта при этом признаются равнозначными. Относительность подразумевает одинаковость всех систем отсчета и исключает систему-эталон.
Пространство и время не являются абсолютными, другими словами, они полностью зависимы от материальных объектов, находящихся в них. Специальная теория относительности демонстрирует тесную связь между собой пространства и времени. В ходе данных исследований природа стала рассматриваться в форме организма, в рамках которого наблюдается непосредственная взаимосвязь всех систем, то есть их зависимость друг от друга.
Пространство и время проявляются исключительно в виде свойства гравитационного поля, причем данное поле представляет собой искривленное, неевклидовое образование. Искривление определяется материей, движение тел при этом описывается, исключая гравитационные силы. При малых скоростях сложные уравнения теории относительности становятся обычными уравнениями Ньютона, а четырехмерное пространство и время превращается в плоское.
