Свойства пространства и времени

Движением в механике называют изменения положения тела в пространстве с течением времени.

Пространство и время бессмысленно рассматривать в отдельности от материального мира.

Пространство отражает порядок сосуществования объектов мира. Время показывает последовательность перемены явлений. Нет процессов в природе, которые происходили бы вне времени и вне пространства.

Пространство и время являются формами существования материи. Пространство и время имеют тесную и неразрывную связь. Мир, в котором мы живем, является четырехмерным:

• Три измерения в нашем мире – относят к пространству.
• Одно измерения связывают со временем.

Относительность движения

Тела могут перемещаться в пространстве, то есть осуществлять механическое движение. Высказывание о том, что два разных события, произошедшие не одновременно, состоялись в одном месте, лишено смысла, до момента указания системы отсчета, в которой эти события рассмотрены.

Перемещение в пространстве обладает строго определённым содержанием, если указаны тела, по отношению к которым происходит движение рассматриваемого объекта.

Любое движение относительно так формулируется одно из фундаментальных свойств природы.

В этой связи для описания перемещения тел в пространстве вводят понятие системы отсчета. Система отсчета включает:

• тело отсчета, с целью фиксирования положения исследуемого объекта;
• процесс, являющийся эталоном, для фиксирования времени. Эталонный процесс фиксации времени реализуют при помощи часов. Часы используют для того, чтобы отмечать временные моменты, которые отвечают положениям перемещающегося тела в некоторые моменты.

Самым простым и часто применяемым примером системы координат, является прямоугольная декартова система координат. Декартова система координат составлена тройкой взаимно нормальных плоскостей, которые жестко связаны с телом отсчета.

Точку пересечения этих плоскостей называют началом координат, линии пересечения плоскостей дают координатные оси.

Координатами точки является тройка расстояний от начала координат до координатных плоскостей.

При решении задач применяют систему координат, которая позволяет максимально упростить процедуру работы задачей.

К наиболее востребованным системам координат относят:

• декартову систему координат;
• цилиндрическую систему координат;
• сферическую систему координат.

Абсолютность и относительность длин и промежутков времени

Нерелятивистская физика считает длины тел и промежутки времени абсолютными. В таком случае:

• Можно считать события одновременными не отмечая системы отсчета, где данные события рассматриваются.
• Стоит рассматривать длину тела, не обращая внимания на состояние его движения или покоя в системе отсчета.

Если исследуются медленные (в сравнении со скоростью света в вакууме) движения, то релятивистские эффекты можно не учитывать. Но существуют разделы физических исследований, где без учета данных эффектов не обойтись, например, ядерная физика.

В специальной теории относительности (СТО), которая была создана Эйнштейном, одновременность событий, разделенных в пространстве, является относительной. Это означает, что пара событий, происходящих одновременно в одной системе отсчета, могут быть не одновременными в другой системе отсчёта, перемещающейся по отношению к первой.

Длина тела в теории Эйнштейна, тоже является относительной, поскольку связана с системой, в которой происходит измерение. СТО показывает, что следует отметить разницу между длиной стержня, который находится в покое ($l_0$) и длиной стержня, движущегося относительно системы отсчета ($l$)

$l_0 \ne l$.

Длины $l_0$ и $l$ равны в случае движений с небольшими скоростями.

Так, в общем случае следует считать, что промежутки времени и длины отрезков являются относительными.

Свойства пространства

Сформулируем свойства пространства, которые можно считать основными:

1. Исследуемое нами пространство является однородным. Это означает, что в нем нет точек с разными свойствами. Если произвести параллельный перенос системы отсчета, то рассматриваемые в ней законы физики не будут изменяться.
2. Пространство изотропно. В пространстве нет выделенных направлений. При повороте системы отсчета на произвольный угол законы природы не изменятся.
3. Пространство обладает свойством непрерывности. Между даже самыми близкими точками пространства всегда имеется третья точка.
4. В нашем мире пространство является трехмерным. Положение точки однозначно описывают три действительных числа (координаты).

Математической формулировкой свойств пространства является система понятий геометрии и их связей. Формирование «простейшей» эвклидовой геометрии было выполнено 2,5 тыс. лет тому назад. Следующий шаг в описании соотношения пространства и материальных тел сделан в неевклидовой геометрии. Лобачевский, например, считал, что пространство не существует отдельно от человека в том смысле, что в природе познается только движение. Все остальные понятия, в том числе геометрические – это порождение ума человека, взяты из свойств движения.

Свойства времени

К основным свойствам времени относят:

1. Временную однородность. Если рассматривать два события, которые проходят при одинаковых условиях, но в разное время, то они будут происходить одинаково.
2. Непрерывность времени означает то, что если имеются два момента времени, и они очень близки, то всегда между ними можно найти еще момент времени.
3. В настоящее время считают, что время течет в одном направлении от настоящего в будущее.

Свойства пространства и времени являются определяющими в характере законов физики. Так, например, законы сохранения энергии и импульса основаны на симметрии времени, которая исходит из его однородности и симметрии пространства (основы однородность и изотропность пространства).

Основной второго начала термодинамики является временная необратимость.