Билет № 12. Материя и движение, время и пространство

Одна из важнейших задач естествознания — создание естественнонаучной картины мира в виде целостной упорядоченной системы. Для решения данной задачи используются общие и абстрактные понятия: материя, движение время и пространство.

Материя это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое непосредственно либо косвенно посредством наших ощущений представляет собой материю, которая тождественна реальности. Неотъемлемое свойство материи — движение. Без движения нет материи и наоборот. Движение матери — любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует в бесформенном состоянии — из нее образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных масштабов в сложности.

Главная особенность естественнонаучного познания заключается в том, что для естествоиспытателей представляет интерес не материя или движение вообще, а конкретные виды материи и др., свойства материальных объектов, их характеристики которые можно измерить с помощью приборов. В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество — основной вид материи, обладающей массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образование из них материальные объекты. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные — химические соединения. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности и взаимодействия составляющих его атомов в молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния вещества: твердое жидкое в газообразное. При сравнительно высокой температуре образуется плазменное состояние вещества. Переход вещества из одного состояния в другое можно рассматривать как один из видов движения материи.

В природе наблюдаются различные виды движения материи, которые можно классифицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и их воздействий на окружающий мир. Механическое движение (относительное перемещение тел), колебательное и волновое движение, распространение и изменение различных полей, тепловое (хаотическое) движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы в макросистемах, фазовые переходы между различными агрегатными состояниями (плавление, парообразование и др.), радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы, эволюция звезд, галактик и Вселенной в целом все это примеры многообразных видов движения материи.

Физическое поле особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным частицам (например, электрон- позитронное поле). Источником физических полей являются частицы (например, для электромагнитного поля — заряженные частицы). Созданные частицами физические поля переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними. В квантовой теории взаимодействие обусловливается обменом квантами поля между частицами.

Физический вакуум — низшее энергетическое со стояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов. Среднее число частиц — квантов поля — в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы — частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы. В физическом вакууме могут рождаться пары частица— античастица разных типов. При достаточно большой концентрации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами, что подтверждается экспериментом. Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная.

Всеобщими универсальными формами существования и движения материи принято считать время и пространство. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в пространстве и во времени. Особенность естественнонаучного представления об этих понятиях заключается в том, что время и пространство можно охарактеризовать количественно с помощью приборов.

Время выражает порядок смены физических состоянии и является объективной характеристикой любого процесса или явления. Время это то, что можно измерить с помощью часов. Принцип работы часов основан на многих физических процессах, среди которых наиболее удобны периодические процессы: вращение Земли вокруг своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и др. Многие крупные достижения в естествознании связаны с разработкой более точных часов. Существующие сегодня эталоны позволяют измерить время с очень высокой точностью относительная погрешность измерений составляет около 10^-11

Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя постулат времени кажется естественным и очевидным, его истинность все же относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных часов, поскольку, во-первых, они характеризуются своей точностью и, во-вторых, невозможно создать принципиально одинаковые условия в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественнонаучных исследований позволяет не сомневаться в справедливости постулата времени в пределах той точности, которая достигнута в данный момент времени.

При создании классической механики около 300 лет назад И. Ньютон ввел понятие абсолютного, или истинного, математического времен в, которое течет всегда и везде равномерно, и относительного времени как меры продолжительности, употребляемой в обыденной жизни и означающей определенный интервал времени: час, день, месяц и т. д.

В современном представлении время всегда относительно. Из теории относительности следует, что при скорости, близкой к скорости света в вакууме, время замедляется - происходит релятивистское замедление времени, и что сильное поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. В обычных земных условиях такие эффекты чрезвычайно малы.

Важнейшее свойство времени заключается в его необратимости. Прошлое во всех деталях и подробностях нельзя воспроизвести в реальной жизни — прошлое забывается. Необратимость времени обусловлена сложным взаимодействием множества природных систем, в том числе атомов и молекул, и символически обозначается стрелой времени, «летящей» всегда из прошлого в будущее. Необратимость реальных процессов в термодинамике связывают с хаотичным движением атомов и молекул.

Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. В отличие от одномерного времени, реальное пространство трехмерно, т. е. имеет три измерения. В трехмерном пространстве существуют атомы и планетные системы, выполняются фундаментальные законы природы. Однако выдвигаются гипотезы, согласно которым пространство нашей Вселенной имеет много измерений, хотя из них наши органы чувств способны ощущать только три.

Первые представления о пространстве возникли из очевидного существования в природе твердых тел, занимающих определенный объем. Исходя из него, можно дать определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Завершенная теория пространства – геометрия Евклида — создана более 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории.

По аналогии с абсолютным временем И. Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое существует независимо от находящихся в нем физических объектов и может быть совершенно пустым, являясь как бы мировой ареной, где разыгрываются физические процессы. Свойства пространства определяются геометрией Евклида. Именно такое представление о пространстве лежит в основе практической деятельности людей. Однако пустое пространство идеально, в то время как реальный окружающий нас мир заполнен различными материальными объектами. Идеальное пространство без материальных объектов лишено смысла даже, например, при описании механического движения тела, для которого необходимо указать другое тело в качестве системы отсчета. Механическое движение тел относительно. Абсолютного движения, как и абсолютного покоя тел, в природе не существует. Пространство, как и время, относительно.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство - время. Основанием для такого объединения служит принцип относительности и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных объектов скорости света в вакууме, примерно равной 300 000 км/с. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга.

В соответствии с общей теорией относительности свойства пространства времени зависят от наличия материальных объектов. Любой материальный объект искривляет пространство, которое можно описать не геометрией Евклида, а сферической геометрией Римана или гиперболической геометрией Лобачевского. Предполагается, что вокруг массивного тела при очень большой плотности вещества искривление становится настолько большим, что пространство — время как бы «замыкается» локально само на себя, отделяя данное тело от остальной Вселенной и образуя черную дыру, которая поглощает материальные объекты и электромагнитное излучение. На поверхности черной дыры для внешнего наблюдения время как бы останавливается. Предполагается, что в центре нашей Галактики находится огромная черная дыра. Однако есть и другая точка зрения. Академик Российской академии наук А.А. Логунов (р. 1926) утверждает, что никакого искривления пространства – времени нет, а происходит искривление траектории движения объектов, обусловленное изменением гравитационного поля. По его мнению, наблюдаемое красное смещение в спектре излучения отдаленных галактик можно объяснить не расширением Вселенной, а переходом посылаемого ими излучения от среды с сильным гравитационным полем в среду со слабым гравитационным полем, в котором находится наблюдатель на Земле.