| Свойства (геометрические симметрии) пространства и времени, | Соответствующие им законы сохранения |
| Однородность пространства (трансляционная симметрия) | Импульса |
| Изотропность пространства | Момента импульса |
| Однородность времени | Полной механической энергии |
законы сохранения, являются, как оказалось, симметричными относительно всех преобразований пространства и времени, а не только относительно преобразований Галилея (см. раздел 2.2). Иными словами, и уравнения, описывающие различные виды механического движения тел или системы тел, и приведенные в табл. 2.3 законы сохранения инвариантны, т.е. не меняют свой математический вид по отношению к любым мысленным преобразованиям пространства и времени, в которых эти тела (системы тел) двигаются.
Проверка законов природы на симметричность поднимает их на более высокий уровень в иерархии научного знания. Американский физик, лауреат Нобелевской премии Е. Вигнер вообще считал, что в области теоретического знания нет ничего более вершинного, чем инвариантность законов природы, или, что то же самое, их симметрия. С ним соглашался В.И. Вернадский, отмечавший, что «новым в науке явилось не выявление принципа симметрии, а выявление его всеобщности ». Негласный лозунг физиков-теоретиков – правильная теория должна быть красивой – также связан с симметрийными представлениями о последней. В свете сказанного получается, что знакомую нам последовательность реализации теоретического этапа научного метода (см. рис. 1.5) необходимо дополнить еще одной процедурой – проверкой закона, как верифицированной гипотезы (там же) на симметричность.
Очевидно, что также в полном соответствии с научным методом, данную процедуру, как способ обнаружения нового качества существующих законов природы, смогут пройти не все из них. Какие же дополнительные возможности появляются у законов природы, обладающих свойством симметрии (подчиняющихся принципу инвариантности), как у более сложных, по сравнению с законами, которые подобного качества не имеют, форм теоретического знания? История науки, а, конкретно, физики свидетельствует, что таких возможностей две. С одной стороны, проверка её законов на симметричность позволяет обнаружить новые, как правило, не поддающиеся экспериментальному обнаружению свойства природных объектов, поведение которых эти законы описывают. Отсутствие возможности практически доказать наличие таких свойств обусловлено уже упоминавшейся проблемой наглядности физических представлений. Теория относительности, например, данную проблему решала поиском эмпирических подтверждений существования каких-либо недоступных для непосредственного восприятия, например, в земных условиях свойств реальности в тех её областях, где эти свойства выражены более явно, а именно, в мире элементарных частиц (там, как известно, «искала» подобные доказательства специальная теория относительности) или в космосе, где аргументы подобного рода «нашла» общая теория относительности (см. разделы 2.2 и 2.3 соответственно). Но как быть, если практических подтверждений существования отдельных свойств реальности – таких, например, как изотропность пространства или однородность времени (см. раздел 2.1) – нельзя найти ни в одной из областей её организации? Ответ на данный вопрос таков – наличие подобных свойств доказывается как результат проверки законов физики на симметричность. Исследуя эти законы, как математические описания поведения того или иного природного объекта, на инвариантность к его мысленным преобразованиям, физики время от времени открывают новые и неожиданные свойства этого объекта, которые таинственно и тонко «запрятаны» в математическом аппарате и совсем не очевидны тому, кто реально наблюдает или изучает данный объект природы (см. выше).
С другой стороны, в силу того, что данная проверка представляет собой мысленный эксперимент (см. выше), её результаты могут быть как вновь обнаруженными свойствами объектов природы, так и, в полном соответствии с научным методом, новыми, математически выведенными законами физики, как формами уже не эмпирического, а теоретического научного знания (см. раздел 1.2). Таким образом, дополнительные возможности законов физики, обладающих свойством симметрии, заключаются в том, что с их помощью можно получать новое эмпирическое и теоретическое научное знание, опираясь не на данные эксперимента или наблюдения, а на них самих, т.е. обойтись без первого этапа научного метода (там же). Наиболее ярко данный потенциал симметрии проявился по отношению к целому классу важнейших макроскопических (сначала) законов физики – к законам сохранения.
Вопросы для самоконтроля
К разделу 2.1
1. Философская и естественнонаучная сущность понятий пространства и времени. Этапы развития представлений о них и задачи этих этапов.
2. Атомистическая и аристотелевская трактовки пространства и времени.
3. Развитие представлений о пространстве и времени Евклидом и Декартом.
4. Принцип относительности Галилея.
5. Трактовка пространства и времени по Галилею и Ньютону.
6. Фотометрический парадокс и его значение.
7. Нарушение правила инвариантности для полевой формы материи.
8. Цель, идея и результат опыта Майкельсона – Морли.
К разделу 2.2
1. Статус, смысл и следствия преобразований Лоренца.
2. Относительность одновременности и относительность размера тела.
3. Эйнштейновская трактовка пространства, времени, преобразований Лоренца и принципа относительности Галилея.
4. Постулаты специальной теории относительности. Почему она называется специальной?
5. Релятивистское правило сложения скоростей и релятивистская масса тела.
6. Происхождение, сущность и значение «формулы 20 века» Эйнштейна.
7. Четырехмерное «пространство – время» Минковского и его интерпретация первого постулата специальной теории относительности.
8. Релятивистские эффекты.
9. Проблема наглядности научных представлений о реальности и её решение.
10. Практические подтверждения релятивистского замедления времени.
11. «Парадокс близнецов».
12. Практические подтверждения релятивистского правила сложения скоростей.
К разделу 2.3
1. Необходимость создания общей теории относительности и трудности, препятствующие решению данной задачи.
2. Сравнительный анализ содержания этапов создания специальной и общей теории относительности.
3. Понятия инерционной и гравитационной масс, их ньютоновское толкование.
4. Сущность и следствие принципа локальной эквивалентности инерционной и гравитационной масс.
5. Сущность обобщенного принципа относительности Эйнштейна и исходное условие, принятое при его формулировке.
6. Причина пересмотра евклидовой геометрии и его результат.
7. История создания неевклидовых геометрий Гаусса и Лобачевского – Больяи.
8. Суть неевклидовой геометрии Римана и его гипотеза, опередившая общую теорию от-носительности Эйнштейна.
9. Трактовка пространства-времени с позиций общей теории относительности и её ограничения.
10. Сущность общего уравнения гравитационного поля и факт его подчинения принципу соответствия.
11. Понятие и геометрические характеристики геодезической линии.
12. Интерпретация евклидова, псевдоевклидова и неевклидова пространства с помощью геодезических линий.
13. Интерпретация движения тела (материальной точки) в искривленном пространстве.
14. Интерпретация распространения света в искривленном пространстве. Особенность околоземного искривленного пространства.
15. Следствия общей теории относительности, подтвержденные наблюдениями или экс-периментами (только названия). Суть и значение объяснения прецессии перигелия Меркурия.
16. Суть и значение обнаружения отклонения луча света гравитационным полем Солнца.
17. Эффект гравитационного красного смещения и его проверка наблюдениями и экспериментами.
18. Гравитационные волны и черные дыры, как следствия общей теории относительности.
19. Единая теория поля – необходимость и проблемы её создания. Практическая значимость общей теории относительности.
К разделу 2.4
Тесты
По разделу 2.1
| 1. Установите соответствие между атрибутом материи и его названием: | |
| 1) способ существования материи 2) форма существования материи 3) вид материи 4) условие существования материи | ) поле ) взаимодействие ) движение ) время |
| 2. Совокупность отношений, выражающих упорядочивание сменяющих друг друга событий, образует … | |
| o пространство o бытие | o космос o время |
| 3. Пространство в представлениях Аристотеля определяется как … | |
| o место движения тел o вместилище событий | o вместилище дискретных тел o протяженная непрерывная материя |
| 4. Инерциальными называются системы отсчета, ___________________ друг относительно друга. | |
| □ движущиеся ускоренно □ покоящиеся | □ движущиеся равномерно □ движущиеся по инерции |
| 5. Противоположных взглядов на пространство придерживались … | |
| □ Демокрит и Лукреций □ Лукреций и Аристотель | □ Аристотель и Декарт □ Декарт и Демокрит |
| 6. В механистической картине мира считается, что пространство и время … | |
| o существуют независимо друг от друга и относительны o неразрывно связаны и абсолютны | o существуют независимо друг от друга и абсолютны o неразрывно связаны и относительны |
| 7. В механистической картине мира считается, что пространственные размеры тела … | |
| o зависят не от скорости его движения, из-меряемой в выбранной системе отсчета, а от других факторов o тем меньше, чем больше скорость его движения, измеряемая в выбранной сис-теме отсчета | o не зависят ни от скорости его движения, измеряемой в выбранной системе отсчета, ни от других факторов o тем больше, чем больше скорость его движения, измеряемая в выбранной системе отсчета |
| 8. По Ньютону, пространство – это … | |
| □ вместилище тел □ Вселенная конечного объема | □ протяженная непрерывная материя □ неподвижная инерциальная система отс-чета |
| 9. Результат какого эмпирического (вывод какого теоретического) исследования, противо-речащий ньютоновской трактовке пространства, не был связан с открытием полевой формы материи? | |
| o преобразований Галилея o опыта Майкельсона – Морли | o фотометрического парадокса o преобразований Лоренца |
| 10. Электродинамика Максвелла … | |
| □ противоречит теории относительности □ не противоречит принципу относитель-ности Галилея | □ не противоречит теории относительности □ противоречит принципу относительности Галилея |
| 11. Эфир Ньютон отождествлял с … | |
| o полем o временем | o пространством o веществом |
| 12. Опыт Майкельсона – Морли опроверг … | |
| o лапласовский детерминизм o принцип постоянства скорости света | o гипотезу существования эфира o концепцию физического вакуума |
По разделу 2.2
| 1. Какой формой научного знания являются преобразования Лоренца? | |
| o законом o эмпирической зависимостью | o гипотезой o эмпирическим фактом |
| 2. Относительность размера тела – результат … | |
| o мысленного эксперимента o наблюдения | o математического вывода o реального эксперимента |
| 3. В специальной теории относительности доказывается, что … | |
| o свойства пространства и времени не за-висят от положения по отношению к ним материальных объектов o пространственные и временные характеристики материальных объектов в разных системах отсчета будут одинаковыми | o пространственные и временные характеристики материальных объектов в разных системах отсчета будут разными o пространственные и временные характеристики материальных объектов в разных системах отсчета не зависят от скорости относительного движения этих объектов |
| 4. В специальной теории относительности абсолютный характер утратили … | |
| □ одновременность событий □ скорость света | □ законы физики □ размер тела в направлении его движения |
| 5. Релятивистской механикой называется … | |
| o динамика Аристотеля o динамика Ньютона | o специальная теория относительности o общая теория относительности |
| 6. Какой параметр движения тела не учитывают преобразования Лоренца? | |
| o время, измеренное в неподвижной систе-ме отсчета o время, измеренное в подвижной системе отсчета | o скорость относительно неподвижной системы отсчета o скорость относительно подвижной систе-мы отсчета |
| 7. «Формула 20 века» выражает эквивалентность … | |
| □ пространства и времени □ массы и энергии | □ вещества и поля □ подвижной и неподвижной инерциальных систем отсчета |
| 8. Укажите понятия, введенные специальной теорией относительности: | |
| □ однородность пространства и времени □ эквивалентность массы и энергии | □ инерциальные системы отсчета □ пространственно-временнóй континуум |
| 9. По Минковскому, пространство и время … | |
| o антагонистичны друг другу o эквивалентны друг другу | o независимы друг от друга o едины друг с другом |
| 10. Понятие единого четырехмерного «пространства-времени» ввел … | |
| o Х. Лоренц o А. Пуанкаре | o А. Эйнштейн o Г. Минковский |
| 11. В специальной теории относительности абсолютны _____________ и ______________. | |
| □ время □ изменение интервала | □ скорость света □ пространство |
| 12. Сколько существует релятивистских эффектов? | |
| o два o три | o четыре o пять |
| 13. Из специальной теории относительности следует, что … | |
| □ движущиеся относительно наблюдателя часы идут медленнее таких же часов, по-коящихся в его системе отсчета □ движущиеся относительно наблюдателя часы идут быстрее таких же часов, поко-ящихся в его системе отсчета | □ для подвижной системы отсчета с увели-чением скорости движения темп времени замедляется □ при приближении к скорости света все процессы в инерциальных системах отсчета ускоряются |
| 14. Разный темп хода времени в разных системах отсчета … | |
| o вытекает из специальной теории относи-тельности o вытекает из общей теории относительно-сти | o вытекает из специальной и общей теорий относительности o не вытекает ни из специальной, ни из об-щей теорий относительности |
| 15. Из специальной теории относительности следует, что при приближении скорости движения тела к скорости света … | |
| o его размер в направлении движения и масса тела стремятся к нулю o его масса стремится к нулю, а размер тела в направлении движения становится бесконечно большим | o его размер в направлении движения стре-мится к нулю, а масса тела становится бесконечно большой o его размер в направлении движения и масса тела становятся бесконечно боль-шими |
| 16. Какое утверждение согласуется со специальной теорией относительности? | |
| o масса тела есть величина постоянная, не зависящая от того, по отношению к какой системе отсчета она определяется o тело, обладающее конечной массой, ни-когда не сможет достичь скорости света | o время течет одинаково в разных системах отсчета o предельная скорость распространения какого-либо сигнала может превышать скорость света |
| 17. Современные научные представления, в том числе, и положения специальной теории относительности, не соответствуют требованию … | |
| o достоверности o математической формы выражения | o наглядности o проверяемости практикой |
| 18. В наблюдениях и опытах, подтвердивших релятивистский эффект замедления времени, неподвижная система отсчета была связана с … | |
| o Солнцем o поверхностью Земли | o мировым эфиром o центром Земли |
| 19. Справедливость релятивистского правила сложения скоростей доказал … | |
| o опыт Майкельсона – Морли o опыт Физо | o фотометрический парадокс o «парадокс близнецов» |
По разделу 2.3
| 1. Идеализированным объектом … | |
| o являются инерциальные системы отсчета o являются неинерциальные системы отс-чета | o являются инерциальные и неинерциаль-ные системы отсчета o не являются ни инерциальные, ни неине-рциальные системы отсчета |
| 2. Общая теория относительности является теорией _______________________ фундаментального взаимодействия. | |
| o электромагнитного o слабого | o гравитационного o сильного |
| 3. На принципе дальнодействия … | |
| o базируется динамика Ньютона и специа-льная теория относительности Эйнштей-на o базируется специальная теория относите-льности Эйнштейна | o базируется динамика Ньютона o не базируется ни динамика Ньютона, ни специальная теория относительности Эйнштейна |
| 4. Принцип эквивалентности справедлив для … | |
| o инерциальных систем отсчета o неинерциальных систем отсчета, движу-щихся равноускоренно друг относитель-но друга | o неинерциальных систем отсчета, движу-щихся равнозамедленно друг относите-льно друга o неинерциальных систем отсчета, движу-щихся произвольно друг относительно друга |
| 5. Сколько существует постулатов общей теории относительности? | |
| o два o три | o четыре o пять |
| 6. Геометрией плоского (неискривленного) пространства является геометрия … | |
| o Гаусса o Римана | o Евклида o Лобачевского – Больяи |
| 7. Неоднородным искривленное пространство является в геометрии … | |
| o Лобачевского o Римана | o Гаусса o Минковского |
| 8. Из общей теории относительности следует, что … | |
| □ массы, создающие поле тяготения, искри-вляют пространство □ пространство вблизи массивных тел опи-сывается геометрией Евклида | □ в поле силы тяжести время замедляется □ пространство-время не зависит от распо-ложения и движения тяготеющих масс |
| 9. Согласно общей теории относительности, новое качество пространственно-временнóго континуума – это его … | |
| o относительный характер o неоднородность | o изотропность o абсолютный характер |
| 10. Геометрия Римана является _____________________ общей теории относительности. | |
| o постулатом o экспериментальным подтверждением | o математическим аппаратом o следствием |
| 11. Общее уравнение гравитационного поля Эйнштейна описывает движение материи в ___________________ пространственно-временнóм континууме. | |
| o плоском и искривленном o искривленном и неоднородном | o неоднородном и изотропном o изотропном и плоском |
| 12. С увеличением кривизны геодезической линии скорость равномерного движения тела по ней … | |
| o уменьшается o увеличивается | o изменяется произвольно o остается постоянной |
| 13. Согласно общей теории относительности, движение материальной точки в искривлен-ном пространстве происходит … | |
| o по геодезической линии в одном направ-лении o по геодезической линии в двух противо-положных направлениях | o между соседних геодезических линий o пересечением сколь угодно большого чи-сла геодезических линий |
| 14. Эффект гравитационного красного смещения следует из … | |
| o теории электромагнитного поля o специальной теории относительности | o общей теории относительности o теории гравитации Ньютона |
| 15. Какие теоретические следствия общей теории относительности были подтверждены вновь полученными результатами наблюдений? | |
| □ искривление светового луча в поле тяго-тения Солнца □ гравитационное красное смещение | □ прецессия перигелия Меркурия □ эквивалентность инерционной и гравита-ционной масс |
| 16. К современному экспериментальному подтверждению эффекта гравитационного крас-ного смещения относится … | |
| o обнаружение ускоряющегося расширения Вселенной o различие хода часов, находящихся на ра-зной высоте над Землей | o открытие Галилеем того факта, что тела разного веса падают на Землю одинаково быстро o отрицательный результат опыта Майке-льсона – Морли |
| 17. Какое теоретическое следствие общей теории относительности было подтверждено ре-зультатами эксперимента? | |
| o прецессия перигелия Меркурия o эквивалентность инерционной и гравита-ционной масс | o искривление светового луча в поле тяго-тения Солнца o гравитационное красное смещение |
| 18. Укажите верные утверждения: | |
| □ вещественные тела могут преодолеть по-ле тяготения черной дыры □ черная дыра не испускает излучения | □ вещественные тела не могут преодолеть поле тяготения черной дыры □ черная дыра испускает излучение |
| 19. Общая теория относительности предсказывает существование во Вселенной сверхмас-сивных объектов, вблизи которых (на расстоянии гравитационного радиуса) … | |
| □ пространство и время приобретают отно-сительный характер □ время меняет направление | □ излучение не может их покинуть □ время практически останавливается для наблюдателя со стороны |
Литература
1. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. – М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2008. – 704 с.
2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие для бакалавров. – М.: Издательство Юрайт; ИД Юрайт, 2012. – 347 с.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. РАН М.Ф. Жукова. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997. – 832 с.
4. Канке В.А. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Ло-гос, 2007. – 368 с.
5. Концепции современного естествознания / под общей ред. проф. С.И. Самыгина: Учебное пособие. – М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: издательский центр «МарТ», 2007. – 240 с.
6. Концепции современного естествознания: учебник для вузов / под общей ред. профессора С.А. Лебедева. – М.: Академический Проект, 2007. – 414 с.
7. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. – 319 с.
8. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учебник. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2010. – 264 с.
9. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2009. – 704 с.
10. Под ред. Л.А. Михайлова Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – СПб: Питер, 2009. – 335 с.
11. Романов В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для сту-дентов вузов. – М.: Вузовский учебник: ИНФРА-М, 2011. – 286 с.
12. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: учебник. – М.: Проспект, 2010. – 288 с.
13. Савченко В.Н. Начала современного естествознания: концепции и принципы: учеб-ное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин – Ростов н/Д.: Феникс, 2006. – 608 с.
14. Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: ПЕР СЭ, 2002. – 464 с.