Основные категории естествознания

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние поля с нулевым числом квантов, характеризующееся отсутствием обнаруживаемых элементарных частиц. Считается, что в нем имеются виртуальные частицы

Виртуальная частица – элементарная частица в промежуточных (ненаблюдаемых) состояниях, рассматриваемая как существующая условно.

При определенных состояниях физический вакуум может порождать пары частиц: частица - античастица

Античастица – элементарная частица с той же массой, что у данной частицы, но с противоположным зарядом.

Аннигиляция - процесс взаимодействия частицы и античастицы, при котором частицы исчезают с выделением энергии

е- + е+ = Е

Некоторые ученые объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других – как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны). Однако это объединение в большей степени касается, вероятно, не макро -, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер.

Пространство. – Первое представление о нем возникло из очевидного существования в природе твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления следовало, что пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Первой законченной теорией пространства является геометрия Евклида, созданная около 2000 лет назад. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени.

Классические представления о пространстве. И.Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел. Свойства такого пространства описываются Евклидовой геометрией.

Однако, с точки зрения современного естествознания пустое пространство – это идеализация. Реальный окружающий нас мир полон материальных объектов: элементарных частиц, полей (физический вакуум – одна из форм существования материи). А. Эйнштейн показал, что линейные характеристики пространства определяются гравитационным полем, которое искривляет его, а также зависят от движения объекта, то есть выявил относительность пространства. Эти положения он изложил в специальной (1905г. ) и общей (1916г.) теориях относительности.

Специальная теория относительности (СТО) — это теория структуры пространства-времени. Впервые была представлена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в работе «К электродинамике движущихся тел». Теория описывает движение, законы механики, а также пространственно-временные отношения, определяющие их, при скоростях движения, близких к скорости света. Классическая механика Ньютона в рамках специальной теории относительности является приближением для малых скоростей.

Общая теория относительности (ОТО) — теория гравитации, разработанная Эйнштейном в 1905—1917 годах. Является дальнейшим развитием специальной теории относительности. В общей теории относительности постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени, в котором они находятся. Эта деформация связана, в частности, с присутствием массы-энергии.
Пространство. Классические и современные представления

Неевклидовы геометрии

• 
  Карл Фридрих Гаусс (1777—1855), выдающийся немецкий математик и астроном, получил результаты в 1818 г., но от их публикации воздержался.
  
• 
  Янош Больяй (1802—1860), венгерский математик, опубликовал свои результаты в 1832 г., но известности не добился
  
• 
  Николай Иванович Лобачевский (1792—1856), известный русский математик, опубликовал свои результаты в 1829—1830 гг. в труде "О началах геометрии".
  
• 
  Георг Фридрих Бернхард Риман (1826—1866), немецкий математик, ученик Гаусса, прочел доклад в 1854 г., опубликовал его в 1867 г.
  

Для понимания сути неевклидовых геометрий удобно представить наше трехмерное пространство в виде двухмерной пленки разной степени кривизны

Общую теорию относительности, споры вокруг которой не утихают по сей день, удалось подтвердить с высокой точностью. В качестве основного "инструмента исследования" был использован двойной пульсар PSR J0737-3039 — единственный, известный современной науке. Работа проведена международным коллективом учёных под руководством профессора Майкла Кремера (Michael Kramer) из университета Манчестера (University of Manchester) и основывается на данных, собранных за три года наблюдений.

Учёные исследовали так называемый эффект Шапиро — задержку сигнала при распространении в пространстве-времени, искривлённом гравитационным полем пульсаров.

Пульсары идеально подходят для проведения такого рода исследований: их гравитационное поле очень сильное (примерно в 100 тысяч раз больше, чем у Солнца), и они излучают радиоволны с очень строгой периодичностью, поэтому любые отклонения легко зафиксировать и измерить.

Как показали вычисления, сделанные группой Кремера, общая теория относительности верна, а все возможные отклонения от неё составляют не более 0,05%. То есть можно сказать, что теория соответствует действительности как минимум на 99,95%.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Другими доказательствами справедливости ОТО являются многочисленные гравитационные линзы, обнаруживаемые космологами, и, в частности, крест Эйнштейна.


Рис 3. Гравитационная линза
Источники гравитации чаще всего не строго сферические, что может приводить к интересным эффектам, например эффекту "креста Эйнштейна", т.е. зачетверению объекта, находящегося за линзой (а по центру светится галактика-источник линзы).


Рис. 4. Крест Эйнштейна.

Время – выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления. Оно универсально. И. Ньютон выделял абсолютное и относительное время. Абсолютное, истинное время протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это кажущееся или обыденное время, то есть постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, совершаемая при посредстве какого-либо движения. Употребляется в обыденной жизни: час, день, месяц, год…

В процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло понимание: абсолютное время не имеет физического смысла, оно – лишь идеальное математическое представление. Течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, то есть возникает релятивистское замедление времени. Поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Т.о., время течет с различной скоростью в различных условиях, то есть время всегда относительно.

Время. Классические и современные представления

Взаимосвязь пространства и времени. Понятие о 4-мерном пространственно-временном континууме.

Вместо разобщенных координат пространства и времени теория относительности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Германа Минковского, немецкого математика и физика, впервые предложившего такую трактовку. В этом мире положение каждого события определяется 4 числами: тремя пространственными координатами движущегося тела X, Y, Z и четвертой координатой – временем t.



Четырехмерное «пространство-время» подчиняется соотношениям неевклидовой геометрии. Такая геометрия переменной кривизны была создана еще до открытия теории относительности немецким математиком Бернхардом Риманом (1826-1886) и положена А. Эйнштейном в основу его общей теории относительности.

Т.о., диапазон пространственных размеров и интервалов времени, которыми оперирует современное естествознание (по порядкам величин):

Расстояния: от 10^-35 м (квант пространства) до 10²⁶ м ("размер" Вселенной).

Времени: от 10^-44 с (квант времени) до 10¹⁷ с ("возраст" Вселенной).

В петлевой теории гравитации главные объекты — маленькие квантовыеячейкипространства, определенным способом соединенные друг с другом. Законом их соединения и их состоянием управляет некоторое поле, которое в них существует. Величина этого поля является для этих ячеек неким «внутренним временем»: переход от слабого поля к более сильному полю выглядит совершенно так, как если бы было некое «прошлое», которое бы влияло на некое «будущее».

Закон этот устроен так, что для достаточно большой вселенной с малой концентрацией энергии (то есть далеко от сингулярности) ячейки как бы «сплавляются» друг с другом, образуя привычное нам «сплошное» пространство-время.
Экспериментальные основания СТО

Специальная теория относительности лежит в основе всей современной физики. Поэтому какого-либо отдельного эксперимента, «доказывающего» СТО, нет. Вся совокупность экспериментальных данных в физике высоких энергий, ядерной физике, спектроскопии, астрофизике, электродинамике и других областях физики согласуется с теорией относительности в пределах точности эксперимента. Например, в квантовой электродинамике (объединение СТО, квантовой теории и уравнений Максвелла) значение аномального магнитного момента электрона совпадает с теоретическим предсказанием с относительной точностью.

Фактически СТО является инженерной наукой. Её формулы используются при расчёте ускорителей элементарных частиц. Обработка огромных массивов данных по столкновению частиц, двигающихся с релятивистскими скоростями в электромагнитных полях, основана на законах релятивистской динамики, отклонения от которых обнаружено не было. Поправки, следующие из СТО и ОТО, используются в системах спутниковой навигации (GPS). СТО лежит в основе ядерной энергетики, и т. д.

Всё это не означает, что СТО не имеет пределов применимости. Напротив, как и в любой другой теории, они существуют, и их выявление является важной задачей экспериментальной физики. Например, в теории гравитации Эйнштейна (ОТО) рассматривается обобщение псевдоевклидового пространства СТО на случай пространства-времени, обладающего кривизной, что позволяет объяснить большую часть астрофизических и космологических наблюдаемых данных. Существуют попытки обнаружить анизотропию пространства и другие эффекты, которые могут изменить соотношения СТО. Однако необходимо понимать, что если они будут обнаружены, то приведут к более общим теориям, предельным случаем которых снова будет СТО. Точно так же при малых скоростях верной остаётся классическая механика, являющаяся частным случаем теории относительности. Вообще, в силу принципа соответствия, теория, получившая многочисленные экспериментальные подтверждения, не может оказаться неверной, хотя, конечно, область её применимости может быть ограничена.
Некоторые эксперименты, иллюстрирующие справедливость СТО и её отдельных положений.

Релятивистское замедление времени

То, что время движущихся объектов течёт медленнее, получает постоянное подтверждение в экспериментах, проводимых в физике высоких энергий. Например, время жизни мюонов в кольцевом ускорителе в CERN с точностью увеличивается в соответствии с релятивистской формулой. В данном эксперименте скорость мюонов была равна 0.9994 от скорости света, в результате чего время их жизни увеличилось в 29 раз. Этот эксперимент важен также тем, что при 7-метровом радиусе кольца ускорение мюонов достигало значений от ускорения свободного падения. Это в свою очередь, свидетельствует о том, что эффект замедления времени обусловлен только скоростью объекта и не зависит от его ускорения.

Измерение величины замедления времени проводилось также с макроскопическими объектами. Например, в эксперименте Хафеле — Китинга проводилось сравнение показаний неподвижных атомных часов, и атомных часов, летавших на самолёте.