stringtranslate.com

Абсолютное пространство и время

Абсолютное пространство и время — это концепция в физике и философии о свойствах вселенной. В физике абсолютное пространство и время могут быть предпочтительными рамками .

Ранняя концепция

Вариант концепции абсолютного пространства (в смысле предпочтительной системы отсчета ) можно увидеть в физике Аристотеля . [1] Роберт С. Вестман пишет, что «дуновение» абсолютного пространства можно наблюдать в труде Коперника «О вращении небесных сфер » , где Коперник использует концепцию неподвижной сферы звезд. [2]

Ньютон

Первоначально введенные сэром Исааком Ньютоном в «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» , концепции абсолютного времени и пространства обеспечили теоретическую основу, которая способствовала развитию ньютоновской механики . [3] Согласно Ньютону, абсолютное время и пространство соответственно являются независимыми аспектами объективной реальности: [4]

Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по своей собственной природе течет равномерно, безотносительно к чему-либо внешнему, и другим именем называется длительность: относительное, кажущееся и общее время есть некоторая чувственная и внешняя (точная или неточная) мера длительности посредством движения, которая обычно употребляется вместо истинного времени...

Согласно Ньютону, абсолютное время существует независимо от любого воспринимающего и движется с постоянной скоростью по всей Вселенной. В отличие от относительного времени, Ньютон считал, что абсолютное время невоспринимаемо и может быть понято только математически. Согласно Ньютону, люди способны воспринимать только относительное время, которое является измерением воспринимаемых объектов в движении (например, Луны или Солнца). Из этих движений мы делаем вывод о течении времени.

Абсолютное пространство, по своей собственной природе, безотносительно к чему-либо внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть некое подвижное измерение или мера абсолютных пространств; которое наши чувства определяют по его положению относительно тел: и которое вульгарно принимается за неподвижное пространство... Абсолютное движение есть перемещение тела из одного абсолютного места в другое: а относительное движение — перемещение из одного относительного места в другое...

—  Исаак Ньютон

Эти понятия подразумевают, что абсолютное пространство и время не зависят от физических событий, а являются фоном или сценой, в которой происходят физические явления. Таким образом, каждый объект имеет абсолютное состояние движения относительно абсолютного пространства, так что объект должен находиться либо в состоянии абсолютного покоя , либо двигаться с некоторой абсолютной скоростью . [5] В поддержку своих взглядов Ньютон привел несколько эмпирических примеров: по Ньютону, можно сделать вывод, что одиночная вращающаяся сфера вращается вокруг своей оси относительно абсолютного пространства, наблюдая за выпячиванием ее экватора, а одиночная пара сфер, связанных веревкой, может быть сделана вывод, что находится в абсолютном вращении вокруг своего центра тяжести ( барицентра ), наблюдая за натяжением веревки.

Разные взгляды

Две сферы, вращающиеся вокруг оси. Сферы достаточно удалены друг от друга, чтобы их влияние друг на друга можно было игнорировать, и они удерживаются вместе веревкой. Если веревка натянута, то это потому, что тела вращаются относительно абсолютного пространства согласно Ньютону , или потому, что они вращаются относительно самой вселенной согласно Маха , или потому, что они вращаются относительно локальных геодезических согласно общей теории относительности .

Исторически существовали различные взгляды на концепцию абсолютного пространства и времени. Готфрид Лейбниц считал, что пространство не имеет смысла, кроме как относительное расположение тел, а время не имеет смысла, кроме как относительное движение тел. [6] Джордж Беркли предположил, что, не имея какой-либо точки отсчета, сфера в пустой вселенной не может быть представлена ​​вращающейся, а пара сфер может быть представлена ​​вращающейся относительно друг друга, но не вращающейся вокруг своего центра тяжести, [7] пример, позже приведенный Альбертом Эйнштейном при разработке общей теории относительности.

Более поздняя форма этих возражений была выдвинута Эрнстом Махом . Принцип Маха предполагает, что механика полностью посвящена относительному движению тел и, в частности, масса является выражением такого относительного движения. Так, например, отдельная частица во вселенной без других тел имела бы нулевую массу. По мнению Маха, примеры Ньютона просто иллюстрируют относительное вращение сфер и основной массы вселенной. [8]

Когда, соответственно, мы говорим, что тело сохраняет неизменным свое направление и скорость в пространстве , наше утверждение есть не что иное, как сокращенная ссылка на всю вселенную .
— Эрнст Мах [9]

Эти взгляды, противопоставляющие абсолютное пространство и время, можно рассматривать с современной точки зрения как попытку ввести операциональные определения пространства и времени, что явно выражено в специальной теории относительности.

Даже в контексте ньютоновской механики современная точка зрения заключается в том, что абсолютное пространство не нужно. Вместо этого приоритет приобрело понятие инерциальной системы отсчета , то есть предпочтительного набора систем отсчета , которые движутся равномерно относительно друг друга. Законы физики преобразуются из одной инерциальной системы в другую согласно теории относительности Галилея , что приводит к следующим возражениям против абсолютного пространства, изложенным Милютином Благоевичем: [10]

Сам Ньютон осознавал роль инерциальных систем отсчета. [11]

Движения тел, заключенных в данном пространстве, одинаковы между собой, независимо от того, находится ли это пространство в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно.

На практике инерциальные системы отсчета часто рассматриваются как системы, движущиеся равномерно относительно неподвижных звезд . [12] Более подробное обсуждение этого вопроса см. в разделе Инерциальная система отсчета .

Математические определения

Пространство , как оно понимается в ньютоновской механике , является трехмерным и евклидовым , с фиксированной ориентацией . Оно обозначается E 3 . Если некоторая точка O в E 3 фиксирована и определена как начало координат , положение любой точки P в E 3 однозначно определяется ее радиус-вектором (начало этого вектора совпадает с точкой O , а его конец совпадает с точкой P ). Трехмерное линейное векторное пространство R 3 представляет собой множество всех радиус-векторов. Пространство R 3 наделено скалярным произведением ⟨ , ⟩.

Время — скаляр , который одинаков во всем пространстве E 3 и обозначается как t . Упорядоченное множество { t } называется осью времени.

Движение (также путь или траектория ) — это функция r  : Δ → R 3 , которая отображает точку в интервале Δ на оси времени в положение (радиус-вектор) в R 3 .

Вышеуказанные четыре концепции являются «хорошо известными» объектами, упомянутыми Исааком Ньютоном в его «Началах» :

Я не определяю время, пространство, место и движение как общеизвестные. [13]

Специальная теория относительности

Понятия пространства и времени были разделены в физической теории до появления специальной теории относительности , которая связала их и показала, что оба зависят от движения системы отсчета. В теориях Эйнштейна идеи абсолютного времени и пространства были заменены понятием пространства-времени в специальной теории относительности и искривленного пространства-времени в общей теории относительности .

Абсолютная одновременность относится к совпадению событий во времени в разных точках пространства способом, согласованным во всех системах отсчета . Теория относительности не имеет понятия абсолютного времени, поскольку существует относительность одновременности . Событие, которое одновременно с другим событием в одной системе отсчета, может находиться в прошлом или будущем этого события в другой системе отсчета, [6] : 59  что отрицает абсолютную одновременность.

Эйнштейн

Ниже приведены цитаты из его более поздних работ, Эйнштейн отождествлял термин эфир со «свойствами пространства», терминологией, которая не получила широкого распространения. Эйнштейн утверждал, что в общей теории относительности «эфир» больше не является абсолютным, поскольку геодезическая и, следовательно, структура пространства-времени зависят от присутствия материи. [14]

Отрицать эфир — значит в конечном итоге предполагать, что пустое пространство не имеет никаких физических качеств. Фундаментальные факты механики не согласуются с этой точкой зрения. Ведь механическое поведение телесной системы, свободно парящей в пустом пространстве, зависит не только от относительных положений (расстояний) и относительных скоростей, но также и от ее состояния вращения, которое физически может быть принято как характеристика, не принадлежащая системе самой по себе. Чтобы иметь возможность рассматривать вращение системы, по крайней мере формально, как нечто реальное, Ньютон объективирует пространство. Поскольку он относит свое абсолютное пространство к реальным вещам, для него вращение относительно абсолютного пространства также является чем-то реальным. Ньютон не менее удачно мог бы назвать свое абсолютное пространство «Эфиром»; существенно лишь то, что помимо наблюдаемых объектов, должна рассматриваться как реальная еще одна вещь, которая не воспринимается, чтобы ускорение или вращение можно было рассматривать как нечто реальное.

—  Альберт Эйнштейн, Эфир и теория относительности (1920) [15]

Поскольку больше невозможно было говорить, в каком-либо абсолютном смысле, об одновременных состояниях в разных местах эфира, эфир стал, так сказать, четырехмерным, поскольку не было объективного способа упорядочить его состояния только по времени. Согласно специальной теории относительности, эфир также был абсолютным, поскольку его влияние на инерцию и распространение света считалось независимым от физического влияния... Теория относительности решила эту проблему, установив поведение электрически нейтральной точечной массы по закону геодезической линии, согласно которому инерционные и гравитационные эффекты больше не рассматриваются как отдельные. При этом она придала эфиру характеристики, которые изменяются от точки к точке, определяя метрику и динамическое поведение материальных точек и определяемые, в свою очередь, физическими факторами, а именно распределением массы/энергии. Таким образом, эфир общей теории относительности отличается от эфиров классической механики и специальной теории относительности тем, что он не «абсолютен», а определяется в своих локально изменяющихся характеристиках весомой материей.

-  Альберт Эйнштейн, Über den Äther (1924) [16]

Общая теория относительности

Специальная теория относительности исключает абсолютное время (хотя Гёдель и другие подозревают, что абсолютное время может быть справедливым для некоторых форм общей теории относительности) [17] , а общая теория относительности еще больше сужает физические рамки абсолютного пространства и времени посредством концепции геодезических . [6] : 207–223  Кажется, что существует абсолютное пространство по отношению к далеким звездам , потому что локальные геодезические в конечном итоге передают информацию от этих звезд, но нет необходимости ссылаться на абсолютное пространство по отношению к физике любой системы, поскольку ее локальные геодезические достаточны для описания ее пространства-времени. [18]

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ «Абсолютное и относительное пространство и движение: классические теории». Стэнфордская энциклопедия философии . 19 июля 2021 г.
  2. ↑ Роберт С. Вестман, Достижение Коперника , Издательство Калифорнийского университета, 1975, стр. 45.
  3. ^ Кнудсен, Йенс М.; Хьёрт, Пол (2012). Элементы ньютоновской механики (иллюстрированное изд.). Springer Science & Business Media . п. 30. ISBN 978-3-642-97599-8.
  4. ^ Ньютон, Исаак; Читтенден, северо-запад. Жизнь сэра Исаака Ньютона; Ади, Дэниел; Мотт, Эндрю; Хилл, Теодор Престон Ранние американские книги по математике CU-BANC (1846 г.). Начала Ньютона: математические принципы натуральной философии. Библиотеки Калифорнийского университета. Нью-Йорк: Опубликовано Дэниелом Ади.
  5. ^ Пространство и время: инерциальные системы отсчета (Стэнфордская энциклопедия философии)
  6. ^ abc Ферраро, Рафаэль (2007), Пространство-время Эйнштейна: Введение в специальную и общую теорию относительности , Springer Science & Business Media, Bibcode :2007esti.book.....F, ISBN 9780387699462
  7. ^ Дэвис, Пол; Гриббин, Джон (2007). Миф о материи: драматические открытия, которые бросают вызов нашему пониманию физической реальности. Simon & Schuster . стр. 70. ISBN 978-0-7432-9091-3.
  8. ^ Эрнст Мах; как цитирует Игнацио Чуфолини; Джон Арчибальд Уиллер (1995). Гравитация и инерция. Издательство Принстонского университета . стр. 386–387. ISBN 978-0-691-03323-5.
  9. ^ как цитируется у Чиуфолини и Уиллера : Гравитация и инерция , стр. 387
  10. ^ Благоевич, Милутин (2002). Гравитация и калибровочные симметрии. ЦРК Пресс . п. 5. ISBN 978-0-7503-0767-3.
  11. ^ Ньютон, Исаак; Читтенден, северо-запад. Жизнь сэра Исаака Ньютона; Ади, Дэниел; Мотт, Эндрю; Хилл, Теодор Престон Ранние американские книги по математике CU-BANC (1846 г.). Начала Ньютона: математические принципы натуральной философии. Библиотеки Калифорнийского университета. Нью-Йорк: Опубликовано Дэниелом Ади. п. 88.
  12. ^ Мёллер, К. (1976). Теория относительности (второе изд.). Оксфорд, Великобритания: Oxford University Press . стр. 1. ISBN 978-0-19-560539-6. OCLC  220221617.
  13. ^ Ньютон 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , Londini, Jussu Societatis Regiae ac Typis J. Streater, или Математические начала натуральной философии , Лондон , английский перевод Эндрю Мотта 1700-е гг. Из части Scholium, перепечатанной на странице 737 On the Shoulders of Giants : The Great Works of Physics and Astronomy (works by Copernicus , Kepler , Galileo , Newton , and Einstein ). Стивен Хокинг , ред. 2002 ISBN 0-7624-1348-4 
  14. ^ Костро, Л. (2001), «Новый эфир Альберта Эйнштейна и его общая теория относительности» (PDF) , Труды конференции по прикладной дифференциальной геометрии : 78–86, архивировано из оригинала (PDF) 2 августа 2010 г.
  15. ↑ Эйнштейн, Альберт: «Эфир и теория относительности» (1920), Sidelights on Relativity (Метуэн, Лондон, 1922)
  16. ^ А. Эйнштейн (1924), «Über den Äther», Verhandlungen der Schweizerischen Naturforschenden Gesellschaft , 105 (2): 85–93Английский перевод: Concerning the Aether Архивировано 04.11.2010 на Wayback Machine
  17. ^ Сэвитт, Стивен Ф. (сентябрь 2000 г.), «Нет времени, подобного настоящему (в пространстве-времени Минковского)», Философия науки , 67 (S1): S563–S574, CiteSeerX 10.1.1.14.6140 , doi :10.1086/392846, S2CID  121275903 
  18. ^ Gilson, James G. (1 сентября 2004 г.), Принцип Маха II , arXiv : physics/0409010 , Bibcode : 2004physics...9010G

Внешние ссылки