Представления о пространстве и времени  формировались и изменялись по мере накопления научных знаний.  Пифагор  говорит: «Вселенная  втягивает из Беспредельного время, дыхание и пустоту», но пифагорейцы осознают факт трёхмерности пространства. Демокрит  утверждал, что в мире нет ничего, кроме  атомов и пустоты («чистого» пространства). Через 100 лет Аристотель считает — « Природа боится пустоты» и заполняет  всё пространство космоса  некоей  всепроникающей невесомой средой – Эфиром.  Римский поэт Лукреций Кар вводит термин «vacuum» – в переводе – вакуум- пустота. В работе греческого математика Евклида «Начала» излагаются основные свойства пространства и пространственных фигур трёх измерений. По  теории французского учёного Рене Декарта – Картезиуза (1596 – 1650 г.г.)  картина мира состоит из двух  компонентов: протяжение и движение, которые являются свойствами материи. «Дайте мне протяжённость  и движение, и я построю Вселенную» –таков основной тезис Декарта. Объективный мир– это материализованное пространство или  воплощённая  геометрия. Он вводит трёхмерную систему координат   XYZ. Декарт отрицает атомизм и пустое пространство, ибо не может существовать нематериальная протяжённость. Декарт вводит понятие импульса тела – скаляр   p = m V.

Галилео Галилей (1564 – 1642г.г.) сформулировал  два основных принципа механики — принцип инерции и принцип относительности. Принцип инерции выведен Галилеем из признания пустоты, в которой различные тела падают с равными скоростями, а действие силы связано с понятием  ускорения. Принцип относительности Галилея: «Никакими механическими опытами, производимыми внутри инерциальной системы отсчёта, нельзя определить, движется ли система прямолинейно равномерно или находится в покое». Скорость  тела  зависит  от  выбора  координатной системы, а ускорение  и сила одинаковы для данного тела  и не  зависят от выбора координатной системы или инвариантны к преобразованиям  координат Галилея. Инвариантами являются также масса тела и время. «Во всех инерциальных системах отсчёта все физические явления происходят  одинаково» (принцип относительности Галилея).

Исаак  Ньютон (1643 – 1727г.г.) в трактате «Математические начала натуральной философии» продолжает работы Галилея по формированию теории пространства и времени и связи этих понятий с материей.  Научная картина мира по Ньютону опирается на три компонента: материя, движение, пространство. Материя – это бесконечное число отдельных и изолированных друг от друга, твёрдых и неизменных (но не идентичных) частиц.  Движение – это перемещение данных частиц в разных направлениях в бесконечном пространстве. Пространство – это бесконечная и однородная пустота. Абсолютное время протекает  безотносительно к чему–либо равномерно и обратимо.

Для описания механического движения материальных тел при небольших скоростях движения применяют законы Ньютона:

Первый закон Ньютона: Тела находятся в покое или движутся прямолинейно и равномерно, пока воздействие со стороны других тел не заставит их изменить это состояние 

Второй закон Ньютона: Сила, действующая на тело, пропорциональна скорости изменения импульса тела:

,

где  - импульс тела,  ;;    — время, с; - сила, Н.

Третий закон Ньютона: Тела действуют друг на друга с силами равными по мо

дулю и противоположными по знаку:

    и    .

К  ХVIII  веку  сложились определённые представления о свойствах пространства и времени и их связи с материей, которые являются сутью классической физики, и  механистическая  картина мира.

Пространство трёхмерно, однородно и изотропно.

Время самостоятельно по  отношению к пространству, однородно, обратимо.

Механистическая  картина мира:

1) Все состояния тела при механическом движении по отношению ко времени одинаковы, так как время обратимо.

2) Все механические процессы являются детерминированными, то есть точно и однозначно определяются предыдущим состоянием системы. Случайность состояний или событий полностью исключена.

3. Пространство и время не зависимы друг от друга,  имеют абсолютный характер и не связаны с движением тел.

Физика  конца XIХ — начала  ХХ века  дала новые понятия в области электромагнитных явлений, термодинамики и строения вещества. Отрицательный результат опытов Майкельсона – Морли со светом, в котором не подтвердилось существование эфира, открытие в 1897 году  У.Томсоном электрона подвигнуло Х. Лоренца к созданию  теории, в которой уравнения Максвелла включают в себя идею о дискретной структуре электричества. Но при этом Лоренц ввёл абсолютно неподвижную систему отсчёта, связанную с неподвижным эфиром. Это противоречит принципу относительности Галилея о равноправности всех инерциальных систем отсчёта.  В 1905 году А.Эйнштейн (1879 – 1955 г.г.) в работе «К электродинамике движущихся сред» формулирует два предположения,  которые в современной науке называются  постулатами специальной теории относительности (СТО):

1) Никакими механическими, тепловыми, электромагнитными, световыми и другими опытами, произведёнными внутри инерциальной системы отсчёта, нельзя определить, движется ли система прямолинейно равномерно или находится в покое.

2) Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит от движения источников и приёмников света.

Специальная теория относительности опирается на преобразования координат Лоренца,  которые содержат немыслимые, с точки зрения обыденных  представлений, парадоксы или следствия специальной теории относительности:       

1) Скорость света недостижима, то есть нельзя разогнать тело до скорости света (координата и время становятся равными бесконечности).      

2) События, одновременные в одной системе отсчёта, не одновременны относительно другой инерциальной системы отсчёта.

3) Линейные размеры тел не одинаковы в неподвижной и движущейся системах отсчёта. Движущееся тело имеет меньшие размеры, чем неподвижное (лоренцево сокращение размеров тел). Размеры тел в собственной системе отсчёта называются собственными и остаются одинаковыми во всех инерциальных системах отсчёта. Длина тел – это не свойство тел самих по себе, длина выражает отношение тел к системе отсчёта и имеет смысл только в той или иной  системе.

         4) Длительность событий различна в разных системах отсчёта: Длительность события наименьшая в той системе отсчёта, относительно которой событие  неподвижно. Часы, движущиеся идут медленнее неподвижных.  Время, отсчитанное  по часам, движущимся вместе  с телом,  называется собственным временем жизни  τ.  Собственное время  всегда меньше, чем  время, отсчитанное по часам, движущимся относительно тела. Время  не есть свойство событий самих по себе,  оно выражает отношение к сис

теме отсчёта и только в данной системе имеет смысл.  Время  перестало быть инвариантом.

Этому есть экспериментальное подтверждение:  в составе космических лучей, долетающих до Земли, есть нестабильные  частицы – мезоны, среднее время жизни которых по часам, движущимся вместе с ними, то есть относительно земного наблюдателя,  равно  2,2 ^-6 с.  За  это время  мезоны, летящие  со скоростью света, прошли бы путь 3*10 ⁸м/с * 2,2 ^{– 6} с =660м. Источник же мезонов находится на высоте около 30 км в верхних слоях атмосферы Земли  и частицы смогли долететь только потому, что проявился релятивистский эффект замедления хода времени.         

С этим же эффектом  связан «парадокс близнецов»: космонавт, улетевший в  фантастический полёт  к другой планете  со скоростью,  близкой к скорости света, например,  Vo= 0.8C, возвратится  на  Землю  более  молодым, чем его брат-близнец, оставшийся на  Земле. Неправильность рассуждения здесь состоит в том, что системы отсчёта, связанные с близнецами, не эквивалентны: земная система инерциальна, а корабельная – неинерциальна, так как ускоряется при взлёте и замедляется при спуске и к ней принцип относительности Эйнштейна не применим.

5) Масса частиц зависит от скорости их движения,  она возрастает при увеличении скорости. Масса перестала быть инвариантом. Масса покоя частицы, то есть масса, измеренная в той инерциальной системе отсчёта, относительно которой частица покоится, остаётся неизменной, то есть инвариантом.

6) Полная энергия системы  тел равна произведению массы системы на квадрат скорости света в вакууме:  Е = mс ².  Покоящееся тела также обладает  энергией, которая называется энергией покоя: Е_о = m_ос ².  Закон пропорциональности массы и энергии блестяще подтверждён экспериментами о выделении энергии при протекании ядерных реакций  и широко используется в физике элементарных частиц.

Преобразования Лоренца и законы релятивистской механики в предельном случае для малых скоростей ( много  меньших скорости света )  переходят в преобразования Галилея и  законы классической механики.  В физике действует принцип:  всякая новая более общая теория не отвергает классические теории, а включает их в себя, указывая границы применения  ( принцип соответствия Нильса  Бора :  «Никакая новая теория  не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в этой области», 1913г.).

         Специальная теория  относительности показала единство пространства и времени, их связь и зависимость друг от друга  и от  скорости  движения.  Поэтому  немецкий учёный Герман  Минковский  (1864 – 1909 г.г.) формулирует представление о четырёхмерном  мире — пространственно-временном континууме: пространство и время органически связаны и образуют единую форму  существования материи. Пространство и время  не существуют вне материи и не зависимо от неё.

В  специальной теории относительности  не рассматриваются  гравитационные поля, которые  не являются  инерциальными. Общая теория относительности  (ОТО) показала, что свойства пространства-времени  в данной области определяются  действующими в ней полями тяготения.  Эйнштейн  заменяет  закон Ньютона о всемирном тяготении новым уравнением,  записанным в тензорной  форме, из которого получает 10 дифференциальных уравнений.  ОТО удовлетворяет принципу соответствия.  Массы, создающие поле тяготения, по ОТО искривляют пространство и меняют течение времени. При переходе к  космическим масштабам геометрия пространства перестаёт быть евклидовой, то есть плоской и не зависящей от размеров области пространства-времени, и изменяется от одной области к другой в зависимости от концентрации масс  в этих областях и их движения.  Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее те

чёт время по сравнению с течением времени вне поля.  Прямолинейное равномерное движение – это движение по инерции в евклидовом пространстве. Движение в поле тяготения – это движение по инерции в неевклидовом пространстве, то есть в искривлённом пространстве, где  вместо прямых линий существуют прямейшие, или геодезические, мировые линии. Примером такой линии может служить  линия на поверхности земного шара — дуга. Лобачевский и Гаусс высказывали предположение, что геометрия реального мира в больших масштабах может быть неевклидовой.

Существует версия о трёх возможных геометриях мирового пространства.

1) Геометрия Евклида ( около 300 лет до н.э.): кривизна пространства равна нулю: точка, две точки — линия, три точки — треугольник, четыре точки- объёмная фигура. Сумма углов  треугольника равна 180⁰.

2) Геометрия  Бернхарда Римана ( 1826-1866г.г. ) — геометрия выпуклого пространства: «прямая» — дуга с положительной  кривизной, выпуклый треугольник – сумма углов его больше180⁰,  поверхность – сфера.

3) Геометрия  Николая Ивановича  Лобачевского ( 1792- 1856 г.г.) – геометрия вогнутого пространства: «прямая» –дуга с отрицательной кривизной, вогнутый треугольник – сумма углов меньше 180⁰,  псевдосфера – «лошадиное  седло».

Гравитация – это отступление пространственно-временного континуума от евклидовости.  Тогда  физически неразличимы ускорение, вызванное полем  тяготения , и ускорение силой, внешней по отношению к телу. Не существует способа отличить причину появления  веса  в космическом корабле, движущемся свободно в космическом пространстве. Появление ускорения может быть объяснено  включением  двигателей, то есть силой тяги, или действием гравитационного  поля планеты,  к  которой приблизился корабль. Силы  инерции эквивалентны силам гравитации (принцип  эквивалентности ).  ОТО  распространяет выводы СТО на неинерциальные системы отсчёта:

Законы природы одинаковы в любых системах отсчёта.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1) В чём отличие принципа относительности Эйнштейна от принципа относительности Галилея?

2) Каковы инварианты классической физики  и  специальной теории относительности?

3) Как гравитация изменяет свойства пространства?

4) Каков смысл принципа эквивалентности сил инерции и сил гравитации?             

5) Каков смысл  принципа соответствия Нильса Бора?