Пространство, время, движение (Тема 1)

Топология - раздел математики, изучающий свойства объектов, не изменяющиеся при любых непрерывных преобразованиях фигур.

Топологические свойства
Однородность – нет выделенных точек пространства, т.е. параллельный перенос и поворот не изменяют вид законов природы.
Изотропность – в пространстве нет выделенных направлений, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы.
Непрерывность – между двумя различными точками пространства всегда есть еще хотя бы одна.
Размерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат.
Связность – нет двух (или более) «времен» и «пространств».

Свойства Пространства и Времени выявляются при изучении физических процессов таких как механическое движение, электромагнитные явления и т.д.
Физической теорией Пространства и Времени является
теория относительности

Пространственные масштабы и размеры от Мегамира до мира микрообъектов (в метрах).
Радиус космологического горизонта или видимой нами Вселенной
Диаметр нашей Галактики
Расстояние от Земли до Солнца
Диаметр Солнца
Размер Человека
Длина волны видимого света
Размер вирусов
Диаметр атома водорода
Диаметр атомного ядра
Минимальное расстояние, доступное сегодня нашим измерениям.

Измерение это определение неизвестной величины с помощью известной, установленной меры.
Метр – единица длины, равная расстоянию, которое проходит
свет в вакууме за время
1/299 792 458 с.
С 1889 по 1960 г в качестве единицы длины использовалась одна десятимиллионная часть расстояния, измеренного вдоль Парижского меридиана от Северного полюса до экватора, – метр (от греч. metron – мера)

Методы оценок размеров и расстояний
Стоячие электромагнитные волны
оптического диапазона (10 0 – 10 -7 м)
Метр – единица длины, равная расстоянию, которое проходит свет в вакууме за время
1/299 792 458 с.
Оценка сечения рассеяния элементарных частиц (электронов, нейтронов и т.д.)
(для объектов < 10 -7 м)

Расстояние от Земли до Солнца в 1 а.е. (1 а.е ≈ 1,5∙108 км); свет преодолевает это расстояние за 8,5 мин.
Расстояния в мире звезд – в световых годах ( 1св.год ≈ 9,5∙1012 км) – методы триангуляции и радиолокации.
Расстояния в мире Галактик (только для самосветящихся объектов) оцениваются по их сравнительной яркости.
Для больших расстояний –эффект Доплера (зависимость частоты света от скорости излучающего объекта)

Определение расстояний до близких звезд (годичный параллакс).
L
α
R
Зима
Лето
Измерение расстояния L до
Звезды методом триангуляции;
в качестве известной стороны
треугольника используется
радиус орбиты Земли.

зима
лето
Измерение расстояния L до
Звезды методом триангуляции;
в качестве известной стороны
треугольника используется
диаметр орбиты Земли.

ВРЕМЯ
- для измерения нужен периодический процесс

Измерение времени

Тропический год — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через точку весеннего равноденствия.
Т = 365,24220 суток.
Солнечные сутки - время полного оборота Земли вокруг оси относительно Солнца; промежуток времени между двумя последовательными верхними
или нижними кульминациями Солнца.

Первые карманные часы появились в 1524 году, но были запатентованы только в 1675 году Гюйгенсом.
Долгое время на них была только часовая стрелка – у наших предков было много
времени, встреча в 10 часов могло означать 9:45 или 10:15. Минутная стрелка появилась на них лишь в XIX веке, а секундная – на рубеже XIX и XX века и считалась поначалу никому не нужной вещью…

Временные масштабы во Вселенной.
Возраст Вселенной 1018 с ≈ 13,7 млрд. лет
Возраст Земли 1017 с ≈ 4,5 млрд.лет
Существование жизни на Земле 7,5∙ 1016 с ≈ 3 млрд.лет
Время существования человечества 1014 с ≈ 3,5 млн. лет
Время появления первобытного человека 5∙1013 с ≈ 3,2млн.лет
Средняя продолжительность жизни человека 2∙109 с ≈ 65 лет
Год 3,15∙107 с
Сутки 8,64∙104 с
Период колебаний звуковой волны 10-3 с
Период колебания радиоволны 10-6с
Период колебания молекул 10-12 с
Период колебания атома 10-12 с
Период колебания ядра 10-21 с

Методы оценки временных интервалов
Движение электронов в атоме цезия – атомные часы
Колебания кристаллической решетки – кварцевые часы
Колебания маятника
Биение человеческого сердца
Суточное вращение Земли
Времена, сравнимые с возрастом Земли, – по радиоактивному распаду углерода
Возраст Солнечной Системы – по полураспаду урана
Возраст Вселенной – оценка с помощью микроволнового анизотропного зонда

Метод радиоактивного распада углерода 14C

Основные этапы развития естествознания
Естествознание древнего и средневекового мира (от античных философов до середины XVI века)
2. Классический период развития естествознания
(от экспериментальных работ итал. уч. Галилея до конца XIX века)
Современное естествознание
(с начала XX века и до наших дней)

1 этап
Основная характеристика – носил мировоззренческий характер.

Античные философы – геоцентрическая система Мира
Пифагор
580 – 500 г.г.
до н.э.
Демокрит
460 – 370 г.г.
до н.э.
Аристотель
384 – 322 г.г.
до н.э.
Архимед
287 - 212 г.г.
до н.э.
Клавдий Птолемей
90 – 168 г.г. н.э.

Геоцентрическая система Мира (Птолемей)

Борцы за гелиоцентрическую систему
Леонардо да Винчи
1452 - 1519 г.г.
Николай Коперник
1473 - 1543 г.г.
Джордано Бруно
1548 - 1600 г.г
Иоганн Кеплер
1571 - 1630 г.г.
Галилео Галилей
1564 - 1633 г.г.
Тихо Браге
1546 - 1601 г.г.

Достижения гелиоцентрической системы
Т2/R3 = const

Эксперимент Фуко в Исаакиевском Соборе Спб

Механическое движение – это простейшая форма движения
Под механическим движением понимают изменение положения тел относительно друг друга за время наблюдения.
Характер движения зависит от того, относительно какого тела оно рассматривается.

В древнегреч. натурфилософии проблема механического движения и взгляды на природу в целом сводились к исследованию причин.
Различные причины сопоставлялись с многообразием видов механ.движений:
планеты - движимы Перводвигателем
тяжелые тела падают к центру Мира, кот. нах-ся в центре Земли
и др. примеры.

Взгляды на проблему механического движения были строго детерминированы (т.е. причинно обусловлены).
Все, происходящее в мире, имеет свою причину и приводит к определенному результату.
Детерминизм не оставляет место Случаю.
Лаплассовский детерминизм: будущее полностью определено настоящим.(конец 18-го века)

2 этап
Классический период – основой познания является опыт, эксперимент
Галилео Галилей, итал.ученый
1564 - 1633 г.г

Опыты Галилея

+

Принцип относительности Галилея
«Любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения относительно покоящейся системы.»

ВСЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА РАВНОПРАВНЫ (ОДИНАКОВЫ), В ЧАСТНОСТИ , ТАК НАЗЫВАЕМЫЙ «ПОКОЙ» И ДВИЖЕНИЕ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ - ОДНО И ТОЖЕ.
Системы отсчета , движущиеся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, называются инерциальными.

‘

Все инерциальные системы равноправны (одинаковы), в частности, т.н. «покой» и движение с постоянной скоростью – есть одно и то же.
Никакими физическими опытами нельзя установить с какой постоянной скоростью движется тело, с которым мы связали инерциальную систему отсчета.

Второй Закон Ньютона
Закон Всемирного тяготения
G = 6,67·10
-11
Н· м /кг
2 2
- гравитационная постоянная
g = 9,819 м/с² -
- ускорение свободного падения
Ньютон Исаак , 1643 – 1727 г.г.

Принцип эквивалентности гравитационной и инерционной масс

Ограниченность законов Ньютона и закона Всемирного тяготения привела к законам сохранения.
Законы сохранения возникают в системах при наличии у них определенных элементов симметрии.

Глобальные законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые оставляют неизменными любую систему.
Элементы симметрии

где T - кинетическая энергия, а W - потенциальная энергия
Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии (для консервативных) систем отражает такое свойство Времени как его однородность и является следствием симметрии сдвига во Времени.
(Консервативные системы – это системы, в которых можно пренебречь любыми другими взаимодействиями, кроме механических.)

Закон сохранения импульса связан с однородностью Пространства и является следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве
P = mV

Закон сохранения момента импульса для вращательного движения связан с изотропностью Пространства, т.е его одинаковость во всех направлениях, и является следствием симметрии относительно поворотов в пространстве
L= Jω,
где L – момент импульса,
J - момент инерции,
ω - угловая скорость