Задачи классической механики наиболее ярким образом выражены в концепции И.Ньютона, специальной теории относительности, сформулированной в постулатах А.Эйнштейна и в теории единого пространства-времени.
Играя огромную роль в развитии естествознания, классическая механика Ньютона сформировала задачи, помогающие объяснить многие физические явления и процессы.
Концепция Ньютона
Концепция Ньютона сыграла огромную роль в объяснении физических процессов. Наиболее кратким и отчетливым образом сущность данной концепции смог выразить Эйнштейн.
Согласно трактовке физика, физическая реальность могут характеризовать такие понятия, как «пространство-время», «материальная точка» и сила (процессы взаимодействий материальных точек). Концепция Ньютона под физическими событиями понимает движение в пространстве материальных точек, которое управляется неизменными законами.
На базе современных представлений, классическая механика имеет свою зону применения. Так, её законы считаются выполнимыми в отношении медленных движений тел, чья скорость намного меньше скорости света. В то же время, в своем практическом применении классическая механика является истинной теорией и останется таковой, пока будет существовать научное знание, наряду с которым сохраняются и такие общие и абстрактные понятия, как время, пространство, сила, масса и пр., лежащие в основе данного раздела физики.
Специальная теория относительности
Рисунок 1. Постулаты теории относительности Эйнштейна. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
К концу XIX столетия в науке преобладающей считалась теория абсолютно неподвижного в мировом пространстве эфира, впоследствии развитая физиком X. Лоренцем. В 1905 году А. Эйнштейн ввел свои 5 постулатов:
- «об отсутствии эфира в природе»;
- «принцип одновременности», непосредственно объединивший факт одновременного происхождения событий со скоростью света;
- «принцип относительности», декларирующий, что все процессы в системе, пребывающей в равномерном и прямолинейном движении, осуществляются согласно законам, аналогичным тем, что относятся к покоящейся системе;
- «принцип постоянства скорости света и ее независимости от скорости движения источника»;
- «инвариантность интервала из четырех составляющих: трех пространственных координат и времени, умноженного на скорость света».
До начала XX века физики не сомневались в абсолютности времени. Так любые два события, одновременные для жителей нашей планеты будут считаться также одновременными и для представителей другой космической цивилизации. При этом теория относительности доказала, что это вовсе не так.
Ученые выявили, что причина несостоятельности классических представлений о времени и пространстве кроется в неверном предположении о вероятности мгновенной передачи сигналов и взаимодействий из одной точки пространства в другую.
Если допустить версию мгновенного распространения сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках случились одновременно, приобретет абсолютный смысл. Можно поместить в точки А и В часы и синхронизировать их посредством мгновенных сигналов.
Любые события могут быть одновременными в случае происхождения при одинаковых показаниях синхронизированных часов, для синхронизации которых было бы естественно прибегнуть к световым или электромагнитным сигналам, поскольку скорость электромагнитных волн в вакууме – это строго определенная и постоянная величина.
Два события в точках А и В, одновременные в системе K1, неодновременны при этом в системе К, однако, в силу действия принципа относительности в отношении данных систем, они абсолютно равноправны. Никакой из этих систем невозможно отдать предпочтение. По этой причине одновременность пространственно разделенных событий будет относительной, а причиной этому будет конечность скорости распространения сигналов.
Теория единого пространства-времени
Рисунок 2. Концепция пространства и времени. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для количественного описания движения ученые сформировали представления о пространстве и времени, которые претерпели за длительный период развития естествознания ощутимые изменения. В процессе развития физики с возникновением специальной теории относительности появилось утверждение об абсолюте времени, не имеющего никакого физического смысла.
Течение времени является зависимым от скорости движения системы отсчета. Так, при достаточно высокой скорости, близкой к скорости света, время начинает замедляться (релятивистское замедление времени). Поле тяготения провоцирует гравитационное замедление времени. Можно говорить исключительно о локальном времени в определенной системе отсчета. В этой связи время не является сущностью, независимой от материи и при этом течет с различной скоростью в разнообразных физических условиях.
Существенная особенность времени выражена в постулате о нем: равнозначные во всех смыслах явления происходят за одинаковый временной промежуток. Хотя данный постулат кажется очевидным, его истинность все же относительна, поскольку его нельзя проверить экспериментально даже посредством самых совершенных реальных часов, поскольку:
- Они все-таки не идеальны и характеризуются собственной мерой точности.
- Не существует абсолютной уверенности в вероятности формирования совершенно равных условий в природе в различное время. Наряду с тем, длительная практика естественнонаучных исследований исключает сомнения в справедливости этого постулата в пределах определенной точности, которая при этом может оказаться высокой.
Концепция пространства, наряду с концепцией времени, прошла довольно длительный путь своего становления и последующего развития. Первое представление о пространстве возникает из очевидного существования в природе и, первоочередно, - в микромире, твердых физических тел, занимающих определенное пространство. Из такого представления вытекало понятие о пространстве как об упорядоченном существовании физических тел.
По аналогии с абсолютным временем Ньютон вводит понятие абсолютного пространства, которое может оказаться абсолютно пустым и существовать независимо от присутствия в нем физических тел, представляя собой как бы мировую сферу, где осуществляются определенные физические процессы. Свойства такого пространства определялись геометрией Евклида. Именно это представление о пространстве до сих пор лежит в основе множества экспериментов, позволивших ученым совершить крупнейшие открытия.
Таким образом, специальная теория относительности сумела объединить пространство и время в единый континуум, основанием для чего стал постулат о передаче взаимодействий материальных тел и предельной скорости — скорости света, равной в вакууме примерно 300 тыс. км/с.
Из данной теории следует вероятность относительности одновременности двух событий, произошедших в различных точках пространства, а также относительности измерений длин и интервалов времени, произведенных в неодинаковых системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это подразумевает относительный, а не абсолютный характер пространства и времени для реального мира.
