Что представляет собой пространство с точки зрения классической механики? Первые попытки объяснить смысл существования пространства делали древние греки. В их представлении пространство ограничивалось Землей с одной стороны и хрустальной сферой неба – с другой. Небесные светила совершали свои перемещения под управлением Солнца, совершая вращения вокруг нашей планеты. Земля при этом считалась центром Вселенной.
Рисунок 1. Представления о пространстве в классической механике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В то же время, с таким устройством мироздания соглашались не все. Так, ученый Дж. Бруно высказал версию о пространстве, предположив, что она представляет собой космическую бесконечность, которая заполненная небесными телами, а центр при этом, которым ранее считалась Земля, в нем отсутствует.
Понятие пространства в представлении различных ученых
В дальнейшем само понятие физического пространства стало более конкретным и научно обоснованным. Свой вклад в это сделали такие ученые-физики, как И. Ньютон, Г. Галилей, И. Кеплер и Р. Декарт.
Благодаря созданной этими учеными науке, названной классической механикой, было сформулировано определение пространства, которое звучало следующим образом.
Пространство – это существующая сама по себе среда, совершенно не зависящая от происходящих в ней процессов и явлений. При этом она обладает свойством неизменности и неподвижности, благодаря которым ее можно назвать «абсолютной».
Материальные тела, которые находятся в таком пространстве, занимают определенную его область, другими словами, им принадлежит некоторая протяженность в нем (например, любой материальный объект, имеющий форму, может характеризоваться длиной, высотой и шириной). В то же время, исходя из способности тел к своей физической трансформации, можно говорить и об изменении отведенного им пространства, названного учеными относительным.
В момент проведения исследований, ученые не выбирали в качестве объектов для этого реальные предметы, способные перемещаться в пространстве самыми необычными способами, что существенно могло бы усложнить им задачу. Ученые решили упростить исследование введением вместо реальных физических тел понятия материальной точки (частицы), обладающей довольно малыми размерами, но имеющей определенную массу.
Само понятие «материальная» подразумевает существование различия данной точки и геометрической (не имеющей никаких физических свойств). При этом материальность дает возможность точке не только обладать массой, но и иметь определенный электрический заряд, а также другие характеристики, а материальная может иметь не только массу, но и электрический заряд, и другие физические характеристики.
После этого Вселенная представлялась учеными в форме абсолютного пространства, заполненного материей, которая представлена двигающимися неразрушимыми частицами малых размеров.
Преобразования Галилея и пространственные представления классической механики
Рисунок 2. Преобразования Галилея. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В более конкретных представлениях о пространстве нуждался и принцип Галилея. Попытка объяснить существование пространства с точки зрения классической механики вылился в формирование так называемых «преобразований Галилея», отражающих в себе главные свойства пространства:
- Пространственные координаты включены в уравнения неравноправно. Так, пространственная координата в движущейся системе является зависимой не только от пространственной, но и от временной координаты из неподвижной системы. В то же время, временная координата из движущейся системы будет зависимой исключительно от аналогичной координаты в неподвижной системе, что исключает ее связь с пространственной.
- В качестве главных метрических характеристик пространства выступают расстояния между двумя точками в пространстве (имеется в виду длина) и двумя событиями во времени (речь идет о промежутке). Преобразования Галилея фиксируют абсолютный характер промежутка и длины.
Свое классическое обоснование главные принципы и законы механики получили непосредственно в трудах Галилея и Ньютона. Галилеем были сформулированы:
- принцип инерции;
- понятие инерциальной системы отсчёта;
- механический принцип относительности.
Ньютон, в свою очередь, придал классическим представлениям о пространстве завершенный вид благодаря собственным определениям для данных понятий. Так, с точки зрения Ньютона, абсолютное пространство является безотносительным по отношению к внешним объектам и проявлениям, оно сохраняет свою неизменность и обладает свойством неподвижности.
Наряду с тем, длина тела, понятие одновременности и временной интервал оказываются инвариантными в плане относительности к любым инерциальным системам. Инвариантность в то же время становится возможной, потому что допускается существование универсально во всем мире системы отсчета, предусматривающей единое пространство Вселенной.
Современное понимание пространства
Рисунок 3. Формирование представлений о пространстве и времени. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Современное понимание пространства сформулировал в своей теории относительности А. Эйнштейн. Она стала новой интерпретацией реляционной концепции пространства, обеспечившей ему естественнонаучное обоснование.
К концу XIX века стало появляться все больше сомнений в абсолютности принципов классической механики. В частности, особое внимание акцентировалось на экспериментальном подтверждении постоянства скорости света, в котором выявились определенные противоречия по отношению к классическому закону сложения скоростей.
Формулировка специальной теории относительности удалась Эйнштейну благодаря распространению принципа относительности на каждое физическое явление и постулированию постоянства скорости света. В отношении инерциальных систем отсчёта с большими скоростями ученые предсказывали релятивистские эффекты сокращения длин и относительность понятия одновременности.
Метрические свойства пространства, таким образом, констатировались учеными не как абсолютные, а зависимые от взаимного движения материальных тел. Более существенной становилась роль выбора системы отсчёта, поскольку изменялись не собственные пространственно-временные характеристики тела, а непосредственно их восприятие наблюдателями в различных системах отсчёта. Некоторые предсказываемые теорией аспекты позднее подтвердились экспериментальным образом.
В рамках теории относительности пространство и время больше не воспринимаются отдельно от материи, и даже друг от друга. В преобразованиях Лоренца появляются единые формулы, связывающие пространственные и временные характеристики. На базе этого Г. Минковский вводит понятие четырехмерного единого пространственно-временного континуума с эквивалентностью времени по отношению к трем пространственным координатам.
В 20 веке таким образом, побеждает диалектико-материалистический подход к восприятию пространства в классической механике, где исчезает представление об абсолютных и единых для Вселенной пространственно-временных характеристик. Вместо этого возникает представление о бесконечном многообразии материальных тел, с каждым из них при этом связано собственное пространство. Это, в свою очередь, исключает существование пустого пространства, не имеющего материальную основу.
