Материя пространство и время механическое движение. Материя, движение, пространство, время. движение сила ньютон относительность

Одна из важнейших задач естествознания - со­здание естественно-научной картины мира в виде це­лостной упорядоченной системы. Для ее решения ис­пользуются общие и абстрактные понятия: материя, движение, время и пространство.

Материя -это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объек­ты. Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас представляет собой материю. Она тождественна ре­альности. Неотъемлемое свойство материи - движение. Без движения нет материи, и наоборот.Движение ма­терии -любые изменения, происходящие с материаль­ными объектами в результате их взаимодействий. Ма­терия не существует в бесформенном состоянии - из нее образуется сложная иерархическая система мате­риальных объектов различных масштабов и сложности.

Отличительная особенность естественно-научного познания заключается в том, что для естествоиспыта­телей представляет интерес не материя или движение вообще, а конкретные виды материи и движения, свой­ства материальных объектов, их характеристики, кото­рые можно измерить с помощью приборов. В современ­ном естествознании различают три вида материи: ве­щество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество -основной вид материи, обладающей массой. К вещественным объектам относятся элементар­ные частицы, атомы, молекулы и многочисленные обра­зованные из них материальные объекты. В химии веще­ства подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные - химические соеди­нения. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния ве­щества: твердое, жидкое и газообразное. При очень высокой температуре образуется плазма. Переход ве­щества из одного состояния в другое можно рассматри­вать как один из видов движения материи.

Различные виды движения материи можно класси­фицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и их воздействий на окружающий мир. Меха­ническое движение (относительное перемещение тел), колебательное и волновое движения, распространение и изменение различных полей, тепловое (хаотическое) дви­жение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы в макросистемах, фазовые переходы между агрегатными состояниями (плавление, парообразование и др.), радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы, эво­люция звезд, галактик и Вселенной в целом - все это примеры многообразных видов движения материи.

Физическое поле -особый вид материи, обеспе­чивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствую­щие различным частицам (например, электрон-по-зитронное поле). Источником физических полей яв­ляются частицы (например, для электромагнитного поля - заряженные частицы). Созданные частицами физические поля переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними. В квантовой теории вза­имодействие обусловливается обменом квантами поля между частицами.

Физический вакуум -низшее энергетическое со­стояние квантового поля. Этот термин введен в кван­товой теории поля для объяснения некоторых микропро­цессов. Среднее число частиц - квантов поля - в ва­кууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы - частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. Виртуаль­ные частицы влияют на физические процессы. В физи­ческом вакууме могут рождаться пары частица-антича­стица разных типов. При достаточно большой концен­трации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами, что подтверждается экспериментом. Пред­полагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная.

Всеобщими универсальными формами существо­вания и движения материи принято считать время и пространство. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в простран­стве и во времени. Особенность естественно-научного представления об этих понятиях заключается в том, что время и пространство можно охарактеризовать коли­чественно с помощью приборов.

Время выражает порядок смены физических состо­яний и является объективной характеристикой лю­бого процесса или явления. Время - это то, что можно измерить с помощью специальных приборов. Принцип работы приборов для измерения времени основан на разных физических процессах, среди которых наибо­лее удобны периодические процессы: вращение Зем­ли вокруг своей оси, электромагнитное излучение воз­бужденных атомов и другие. Многие крупные дости­жения в естествознании связаны с разработкой более точных приборов для определения времени. Существу­ющие сегодня эталоны позволяют измерить время с очень высокой точностью - относительная погреш­ность измерений составляет менее 10" 11 .

Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя постулат времени кажется естественным и очевидным, его истинность все же относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных часов, поскольку, во-первых, они характеризуются своей точностью и, во-вторых, невоз­можно создать принципиально одинаковые условия в природе в разное время. Вместе с тем длительная прак­тика естественно-научных исследований позволяет не сомневаться в справедливости постулата времени в пределах той точности, которая достигнута в данный момент времени.

При создании классической механики около 300 лет назад И. Ньютон ввел понятие абсолютного, или истинного,математического времени, которое течет всегда и везде равномерно, и относительного време­ни как меры продолжительности, употребляемой в обы­денной жизни и означающей определенный интервал времени: час, день, месяц и т. д.

В современном представлении время всегда отно­сительно. Из теории относительности следует, что при скорости, близкой к скорости света в вакууме, время замедляется - происходит релятивистское замедление времени, и что сильное поле тяготения приводит к гра­витационному замедлению времени. В обычных зем­ных условиях такие эффекты чрезвычайно малы.

Важнейшее свойство времени заключается в его необра­тимости. Прошлое во всех деталях и подробностях нельзя воспроизвести в реальной жизни - оно забывается. Нео­братимость времени обусловлена сложным взаимодей­ствием множества природных систем, в том числе атомов и молекул, и символически обозначается стрелой време­ни, «летящей» всегда из прошлого в будущее. Необрати­мость реальных процессов в термодинамике связывают с хаотичным движением атомов и молекул.

Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. В отличие от одномерного времени реальное пространство трехмерно, т. е. имеет три измерения. В трехмерном пространстве существуют атомы и пла­нетные системы, выполняются фундаментальные за­коны природы. Однако выдвигаются гипотезы, соглас­но которым пространство нашей Вселенной имеет много измерений, хотя наши органы чувств способны ощущать только три из них.

Первые представления о пространстве возникли из очевидного существования в природе твердых тел, занимающих определенный объем. Исходя из него, можно дать определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Завершен­ная теория пространства - геометрия Евклида - соз­дана более 2000 лет назад и до сих пор считается об­разцом научной теории.

По аналогии с абсолютным временем И. Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое су­ществует независимо от находящихся в нем физичес­ких объектов и может быть совершенно пустым, явля­ясь как бы мировой ареной, где разыгрываются физи­ческие процессы. Свойства пространства определяются геометрией Евклида. Именно такое представление о пространстве лежит в основе практической деятельно­сти людей. Однако пустое пространство идеально, в то время как реальный окружающий нас мир заполнен различными материальными объектами. Идеальное пространство без материальных объектов лишено смыс­ла даже, например, при описании механического дви­жения тела, для которого необходимо указать другое тело в качестве системы отсчета. Механическое движение тел относительно. Абсолютного движения, как и абсо­лютного покоя тел, в природе не существует. Простран­ство, как и время, относительно.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум простран­ство - время. Основанием для такого объединения слу­жит принцип относительности и постулат о предель­ной скорости передачи взаимодействий материальных объектов - скорости света в вакууме, примерно рав­ной 300 000 км/с. Из этой теории следует относитель­ность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведен­ных в разных системах отсчета, движущихся относи­тельно друг друга.

В соответствии с общей теорией относительности свойства пространства -времени зависят от наличия материальных объектов. Любой материальный объект искривляет пространство, которое можно описать не геометрией Евклида, а сферической геометрией Римана или гиперболической геометрией Лобачевского. Предполагается, что вокруг массивного тела при очень большой плотности вещества искривление становится настолько существенным, что пространство - время как бы «замыкается» локально само на себя, отделяя данное тело от остальной Вселенной и образуя черную дыру, которая поглощает материальные объекты и электромагнитное излучение. На поверхности черной дыры для внешнего наблюдения время как бы останав­ливается. Предполагается, что в центре нашей Галак­тики находится огромная черная дыра. Однако есть и другая точка зрения. Академик Российской академии наук А.А. Логунов (р. 1926) утверждает, что никакого искривления пространства -времени нет, а происхо­дит искривление траектории движения объектов, обус­ловленное изменением гравитационного поля. По его мнению, наблюдаемое "красное смещение в спектре излучения отдаленных галактик можно объяснить не расширением Вселенной, а переходом посылаемого ими излучения из среды с сильным гравитационным полем в среду со слабым гравитационным полем, в котором находится наблюдатель на Земле.

Материя обладает многочисленными свойствами: несотворимость, неуничтожимость, познаваемость, неисчерпаемость строения и т.д. Но среди них есть такие, без которых она не может существовать. Эти свойства называются атрибутами. К ним относятся движение, пространство, время.

Движение обозначает любые взаимодействия, а также изменения состояний объектов, которые происходят в процессе этих взаимодействий. Поэтому движение есть изменение вообще.

Все вещи окружающего нас мира находятся в постоянном движении, изменении. Есть такие состояния движения, которые не изменяют качественных характеристик предметов. Например, все знают, что внутри предметов происходит "бешеная пляска" электронов и других элементарных частиц, но при этом внешний вид, место расположения предметов сохраняется неизменным. Мы воспринимаем их как находящиеся в покое. Покой - это состояние движения, которое не нарушает качественной специфики предмета, его стабильности.

Существуют состояния движения, которые приводят к изменению качественного состояния предметов. Здесь возможны два результата: распад предмета на более простые элементы (например, гниение) и, наоборот, образование нового, более сложного объекта. Изменение, сопровождающееся появлением новых качественных состояний, которые представляют собой развертывание возможностей, скрытых в предшествующих качественных состояниях, называется развитием. Например, в желуде скрыта возможность стать дубом, и когда желудь попадает в благоприятные для него условия, эта возможность реализуется. Происходит процесс развития желудя в дуб.

Каждому структурному уровню материи соответствует своя форма движения материи: механическая, физическая, химическая, биологическая, социальная. Формы движения материи взаимосвязаны. Так, механическое движение обусловлено глубинными процессами взаимопревращения элементарных частиц, взаимовлияниями электромагнитных и гравитационных полей, сложными переплетениями сильных и слабых взаимодействий в микромире.

Взаимодействие форм движения материи лежит в основе развития Вселенной. Доказано, что в особенностях взаимодействия элементарных частиц заложена возможность появления человека. Так, электромагнитные взаимодействия имеют постоянную величину, числовое значение которой У 137. Благодаря именно такому ее значению образуются атомы, молекулы и в итоге - человек. Малейшее изменение этой величины сделало бы нашу Вселенную иной. Современная космология утверждает, что человек и общество есть такая структурная организация материи и движения, которая обусловлена взаимодействиями в масштабе всей Метагалактики. Поэтому социальная форма движения есть космическое явление.

Пространство - форма бытия материи, выражающая протяженность составляющих ее объектов, их строение из элементов и частей . Пространство нашего мира имеет три измерения, а потому его называют трехмерным. Оно является необходимым условием существования устойчивых систем, состоящих из двух тел. Если бы наше пространство имело больше размерностей, то планеты не смогли бы двигаться по замкнутым орбитам, а значит, не было бы планетных систем.

Время - форма бытия материи, выражающая длительность протекания процессов, последовательность смены состояний в ходе изменения и развития материальных систем . Человек научился измерять время, сравнивая различные процессы с одним, выбранным за образец (эталон). Например, мы сравниваем длительность суток с движением часовой и минутной стрелок часов. При этом один оборот по циферблату часовой стрелки мы условно называем "один час".

Но человеку свойственно и интуитивное чувство времени. В нас как бы встроены "биологические часы". И здесь нет ничего сверхъестественного, если учесть, что человек - закономерный итог развития галактики, а потому может "чувствовать" ее ритмы. Медики открыли, что наши внутренние органы работают с разной степенью интенсивности в разное время суток. Между двумя и четырьмя часами ночи усиливается функционирование печени, очищающей организм от ядов, а в четыре часа ночи все органы снижают свою активность. Не случайно в это время чаще всего умирают больные люди. Обладает своими определенными ритмами и человеческий мозг. Знание этих ритмов необходимо для гигиены умственного труда.

В начале XX в. физика выявила глубокую связь между материей, пространством и временем. Оказалось, что время есть четвертое измерение мира , а пространственно-временной срез нашей Метагалактики характеризуется формулой 3 + 1 (три пространственных измерения и одно временное). Эта фундаментальная характеристика определила материальное строение Метагалактики.

Современная наука считает, что могут существовать миры с другими пространственно-временными параметрами. Ученые предполагают, что при рождении нашей Метагалактики существовало десятимерное пространство - время. Четыре измерения (формула 3-4-1) стали формами бытия материи на макроскопическом уровне, а шесть - определили структуру микромира, размеры которого меньше 10-33 см. Очевидно, что эта структура не имеет аналогов в макромире, в котором живет человек.

Время органически связано с материей и движением макромира. Каждому структурному уровню материи соответствует специфическая форма пространства и времени. Так, особенности биологического пространства - времени проявляются уже на уровне белковых молекул в форме асимметрии (нарушение полного соответствия в расположении частей целого относительно какого-то центра) "левого" и "правого" в группировках атомов. Живые системы образуются только из тех молекул, в которых имеется "левосторонняя" группировка. В неживой природе нет различия между "правыми" и "левыми". Камню все равно, где лежать: слева или справа. Растения же четко различают эти свойства пространства, что особенно видно на вьющихся растениях, завивающих спирали-усики только справа налево.

Имеет свою специфику и временная организация живого. Растения меняют длительность протекания в них биологических и химических процессов в зависимости от времени суток, погоды и т.д.

Свою специфику имеют пространство и время жизни общества. Человечество, в отличие от животных, сразу же начало формировать особую пространственную сферу жизнедеятельности: изготавливать орудия труда, строить жилища и целые поселения, создавать пастбища, одомашнивать диких зверей и т.д. Рядом с неосвоенной природой появилась очеловеченная природа. Если в неживой и биологической формах материи пространство включает только связи предметов, то в социальное пространство входит и отношение человека к предметам, к месту своего обитания. Например, понятие

Социальное время - форма бытия общества, выражающая длительность исторических процессов, их смены, возникающих в ходе деятельности людей. Социальные процессы имеют разную длительность. Родоплеменные общества и первые цивилизации древнего мира уходят корнями в толщу веков, составляющую несколько десятков тысяч лет. Средневековое общество просуществовало около 1400 лет, а современный способ жизни насчитывает всего около 300 лет. Смена этапов развития общества характеризуется убыстрением темпов социальных изменений, что нашло свое отражение в понимании времени.

Древние цивилизации воспринимали время как повторяющийся цикл, в котором особой ценностью обладало прошлое, хранящее необходимые для жизни навыки и знания. С появлением христианства временной цикл развернулся в линию, вектор которой был направлен в будущее.

Специфическое восприятие времени сформировалось капиталистическим способом производства. Погоня за прибылью требовала постоянной интенсификации труда, уплотнения событий и процессов, протекающих в единицы времени. Не случайно именно в эту эпоху была изобретена секундная стрелка как свидетельство ускорения ритма жизни. Начался бег времени, превышающий уровень биологического ритма человеческого организма и происходящих в нем физиологических процессов. Ускорение ритма социальной жизни продолжается, что негативно сказывается на здоровье людей.

Социальное время характеризуется не только неравномерностью протекания, но и многоуровневой структурой. В ней можно выделить время, определяющее историю происхождения рода человеческого, время образования наций и народностей, время развития и смены целых эпох и формаций, а также время индивидуального бытия человека. В свою очередь индивидуальное бытие человека подразделяется на время детства, отрочества, юности, зрелости, старости. И в каждом из этих времен свой ритм и свои ценности. Например, в старости человек перестает спешить, усмиряет бег времени, а также чаще, чем в молодости, размышляет о смысле жизни, смерти. материя субстанция пространство время

Изложенное выше учение о материи базируется на ленинском ее определении. Но в настоящее время некоторые философы утверждают, что это определение содержит два взаимоисключающих суждения:

• материя независима от нашего сознания;
• материя есть объективная реальность, данная нам в ощущениях.

Первое суждение отрицает второе и наоборот. Тезис о независимости материи от сознания не так просто обосновать, как это кажется на первый взгляд. Не случайно поэтому еще представители русской религиозной философии относили первое суждение к разряду знаний, которые невозможно ни доказать, ни опровергнуть.

Наблюдая окружающий мир, сталкиваясь с ним в практической деятельности, человек замечает, что он представляет бесконечное множество различных предметов и явлений, качественно отличающихся друг от друга. Но при всем этом многообразии обнаруживается, что предметы и явления имеют общие черты, позволяющие вычленить из множества различные типы, классы, роды и виды этих предметов. Есть ли в предметах и явлениях окружающего мира общие свойство, присущее всем, единая основа, единая субстанция.

Философы решают этот вопрос по разному.

Идеалисты выводят единство мира из сознания, из психического, идеального. Объективные идеалисты считают, что в основе мира лежит абсолютный дух, что мир – это воплощение духовного начала. Платон, например, говорит: «Материя происходит от Бога, и содержит его в себе». По Гегелю мир и природа являются порождением абсолютной идеи, природа есть «идея в форме инобытия», «погружение понятия во внешность». Субъективные идеалисты сводят единство мира к сознанию, воле субъекта.

Материалисты считают, что единство мира состоит не в его бытии, а в его материальности, а эта последняя доказывается длинным развитием философии и естествознания. Все естествознание пронизано попытками доказать материальное единство мира.

Важнейшие из них:

1. Открытия Коперника, Галилея, Ньютона о гелиоцентрическом строении солнечной системы

2. Закон Ньютона посвященный всемирному тяготению, оказавшийся общим для всех материальных тел, и их комплексов, обладающих массой покоя.

3. Законы сохранения и превращения энергии, клеточная теория и теория Дарвина указали на наличие общих закономерностей в развитии природы.

4. Астрофизика, основываясь на спектральном анализе показала, что на других планетах солнечной системы присутствует ряд химических элементов, что и на Земле. Это доказывает общность единство космических тел.

5. Периодическая система Менделеева отражает единство материи, согласно которому свойства химических веществ и соединений находятся в зависимости от величин их атомных весов.

6. Общие для всех областей законы сохранения массы, энергии, импульса, зарядовой частоты, барионного заряда, изотопического спина, странности и др.

7. Открытый современной наукой факт взаимопревращения элементарных частиц, согласно которому любая элементарная частица может превратиться в любую другую, основой которой является, как полагают физики, кварки, и представителем элементарной частицы в их взаимодействиях выступают кварки.

Существует огромное количество определений материи:

Гегель, например, определяет ее так: «Материя есть абстракция, которая как таковая не может быть нами воспринята. Можно поэтому сказать, что не существует вообще материи, ибо она существует как нечто определенное, конкретное».

Итак, философских определением понятия материи примем определение «материя – философская категория объективной реальности, данная человеку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них».

К этому определению материи можно сделать дополнение, что в современном естествознании она может восприниматься как некое «мертвое вещество», являющееся противоположным понятием жизни, душе и духу. В современной физике материя – обозначение некоторой особой точки поля. В современной теории поля не существует некоторой посредствующей субстанции, и каждая сила создает «поле», распространяющееся по способу континуума и действующее на любое тело, помещенное в данное поле. Пустое само по себе пространство обладает единственным свойством содержать в себе поля. По трем видам сил, известным в настоящее время поля делятся не гравитационное (силы тяготения тяжелых масс), электромагнитные (силы притяжения и отталкивания заряженных тел или магнитных тел) и поля ядерных сил (нуклонов ядра). Поскольку всякая энергия есть некая масса, всякая масса есть некая энергия, то и поле представляет собой определенную массу, например электромагнитное поле, создаваемое электроном. Таким образом, напряженность поля – единственная физическая реальность. Материя в данном случае – сингулярность поля (узлы поля).

Движение – в самом общем значении – способ существования материи, ее атрибут, всякое взаимодействие материальных тел и объектов.

Об абсолютности движения можно говорить только в соотнесении с какой-либо точкой пространства, которая мыслится в мировом пространстве в состоянии покоя. Действительное движение всегда относительно, оно есть движение в соотнесении с какой-либо точкой пространства, находящейся в относительном движении или в относительном покое.

Континуум – четырехмерная система координат, дополняющая всеобщую теорию относительности А.Эйнштейна (сила тяжести и ускорение равноценны) временем как четвертой координатой (мир Минковского). Результаты наблюдений, истолкованных теорией относительности Эйнштейна, отклоняются от наблюдений классической механики и электродинамики, только при скоростях, близких к скорости света.

Движение многообразно:

3 группы форм движения:

– в неорганической природе (перемещение, взаимодействие поля, химические взаимодействия, тепловые процессы, агрегатные состояния, звуковые колебания, изменения космических тел и систем)

– в живой природе (совокупность жизненных процессов, обмен веществ, процессы отражения, саморегуляции, воспроизводство, экология)

– в обществе (общественные виды деятельности, высшие формы отражения, целенаправленное преображение действительности)

Типы движения :

1. с сохранением качественного состояния предмета (сохраняется некий набор признаков)

2. с изменением качественного состояния (разрушение, распад, образование нового объекта)

Пространство и время – всеобщие формы бытия материи, ее атрибуты. Не существует материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе, вне материи и независимо от нее.

Пространство – есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах.

Время – форма бытия материи, выражающая длительность ее существования, последовательность смены состояний в изменении, развитии всех материальных систем.

Пространство и время неразрывно связаны, их единство проявляется в движении и развитии материи.

Всеобщие свойства пространства и времени:

– объективность и независимость от сознания человека

– абсолютность как атрибутов материи

– неразрывная связь с движением

– единство непрерывного и дискретного в их структуре

– количественная и качественная бесконечность

Пространство

– метрические (связанные с измерением)

– топологические (связность, симметрия пространства)

– протяженность пространства – означающая рядоположенность и сосуществование различных элементов (точек, отрезков, объектов), связность и непрерывность (прерывность относительна)

– трехмерность пространства

– длительность (последовательность существования и смены состояний тел)

– непрерывность абсолютна (прерывность относительна)

– одномерность, асимметричность, необратимость

Субстанциальная концепция рассматривает пространство и время как особые сущности, которые существую сами по себе, независимо от материальных объектов. Они – арена, на которой находятся объекты и развертываются процессы (как сцена существует независимо от актеров и спектакля, так и пространство и время существуют независимо от объектов и процессов.

Реляционная концепция рассматривает пространство и время объективно-независящими от человека и человечества формами бытия материи, при этом неразрывно связанными с самой материей и ее движением.

Комментарии к лекциям по физике

Тема: Пространство и время. Кинематика материальной точки

Измерения промежутков времени и пространственных расстояний. Современные

эталоны времени и длины. Система отсчета. Системы координат. Свойства пространства и времени. Однородность времени. Однородность и изотропность пространства. Классические (нерелятивистские) представления о пространстве и времени - предположения об абсолютном характере одновременности событий, промежутков времени и пространственных расстояний. Соотношение евклидовой геометрии и геометрии реального физического пространства.

Предмет кинематики. Материальная точка как физическая модель. Механическое движение и его описание. Основные понятия кинематики материальной точки. Радиус-вектор. Перемещение. Траектория. Путь. Средняя скорость. Скорость.

Вектор скорости как производная радиус-вектора. Направление вектора скорости и траектория. Годограф вектора скорости. Ускорение. Ускорение при криволинейном движении. Центр кривизны и радиус кривизны траектории. Разложение ускорения на нормальную и тангенциальную составляющие. Координатная форма описания движения.

Число степеней свободы механической системы. Движение при наличии связей. Определение скорости и ускорения по заданной зависимости координат от времени. Определение координат по заданной зависимости скорости от времени.

Одномерное криволинейное движение.

Механическое движение. Пространство и время Механика изучает простейшую форму движения материи - механическое движение.

Механическое движение состоит в изменении положения тела относительно других тел. Описание механического движения производится в определенной системе отсчета. Системой отсчета называют тело (или совокупность неподвижных друг относительно друга тел) вместе с приборами для измерения расстояний и промежутков времени. Тело, условно принимаемое за неподвижное, называют телом отсчета. С телом отсчета можно связать какую-либо систему координат.

В физических задачах наиболее употребительны прямоугольные декартовы координаты, сферические и цилиндрические системы координат.

Для реализации системы отсчета прежде всего необходимо ввести по определению некоторые процедуры для измерения пространственных расстояний и промежутков времени. Измерение времени может быть основано на каком-либо естественном процессе. Долгое время в качестве такого периодического процесса выбиралось суточное вращение Земли, и за единицу времени - секунду - принималась определенная часть периода этого процесса (средних солнечных суток). Но в действительности суточное вращение Земли не вполне равномерно: в силу ряда геофизических процессов (перемещений больших масс) происходят случайные изменения момента инерции Земли и угловой скорости ее вращения вокруг оси.

Поэтому принятый в настоящее время эталон времени основывается на периоде колебаний, происходящих в атоме изотопа цезия-133. По определению единица времени секунда содержит 9 192 631 770 периодов этих колебаний. Атомы одного и того же изотопа тождественны, поэтому при указанном выборе эталона времени природа предоставляет в наше распоряжение практически неограниченное число совершенно идентичных «часов».

Постоянство скорости света в вакууме (возведенное в теории относительности в ранг одного из основных постулатов) позволяет измерение пространственных расстояний свести к измерению промежутков времени. Для установления основной единицы длины в настоящее время используется тот же самый эталон, что и для единицы времени: по определению метр - это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

На основе практического опыта измерений расстояний и промежутков времени и изучения механического движения формируются представления о физическом пространстве и физическом времени. Эти понятия являются фундаментальными, т. е. их нельзя определить через какие-то более простые понятия. Используемые в физике системы отсчета можно рассматривать как некоторые практические реализации соотношений между событиями в пространстве и времени. Каждому событию, независимо от его физического содержания (короткая вспышка света, столкновение двух частиц, распад или рождение частицы и т.п.) можно сопоставить некоторую точку пространства-времени.

На опыте установлены следующие свойства времени и пространства: время одномерно и однородно, физическое пространство трехмерно, однородно и изотропно. Однородность времени проявляется в неизменности физических законов с течением времени: любой опыт, поставленный в одинаковых условиях в разное время, дает одинаковые результаты. С однородностью времени связано сохранение энергии. Однородность и изотропность пространства проявляются в независимости физических явлений в замкнутой (изолированной) физической системе от ее положения и ориентации как целого. С однородностью пространства связано сохранение импульса, с изотропностью пространства - сохранение момента импульса.

Как показывает опыт, для трехмерного физического пространства справедлива евклидова геометрия. Это значит, что аксиомам евклидовой геометрии удовлетворяют установленные на опыте свойства объектов физического пространства, которым сопоставляются соответствующие объекты евклидовой геометрии (например, световым лучам в вакууме сопоставляются прямые линии геометрии).

Используемые в классической механике представления о пространстве и времени сформировались на основе опыта наблюдений за сравнительно медленными движениями макроскопических тел. Согласно классическим представлениям, промежутки времени между событиями и пространственные расстояния между точками абсолютны, т. е. не зависят от системы отсчета. Теория относительности показала приближенный характер этих представлений. Постулируемое в теории относительности существование предельной скорости распространения взаимодействий несовместимо с классическими представлениями об абсолютном характере одновременности пространственно удаленных событий, абсолютном характере времени и пространственных расстояний. Это означает, что применимость классических представлений ограничена областью движений, происходящих со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Подробнее об этом см. в комментариях к теме «Основы теории относительности».

Основные понятия кинематики материальной точки Задача кинематики - математическое описание движения без выяснения его физических причин. Используемые в кинематике физические модели - материальная точка, твердое тело, сплошная среда.

Материальная точка - тело, размеры и форма которого несущественны в рассматриваемом движении. Применимость этой модели зависит не столько от размеров самого тела, сколько от условий его движения. В частности, при поступательном движении любое твердое тело можно считать материальной точкой.

Рис. 1: Радиус-вектор r, координаты x, y, z, траектория, перемещение r, путь s.

Механическое движение относительно - одно и то же движение будет различным в разных системах отсчета. В выбранной системе отсчета пространственное положение материальной точки определяется ее радиусом-вектором r, проведенным из начала системы координат. Задание радиуса-вектора r эквивалентно указанию трех чисел, например трех его проекций x, y, z на оси декартовой системы координат (рис. 1).

Число независимых координат, которое необходимо для задания положения механической системы в пространстве, называется числом степеней свободы системы. Материальная точка имеет три степени свободы.

При движении радиус-вектор и координаты изменяются с течением времени.

Говорят, что задан закон движения, если указана определенная непрерывная векторная функция времени r = r(t) или три эквивалентные ей скалярные функции - проекции радиуса-вектора на оси координат x = x(t), y = y(t), z = z(t).

Линия, описываемая движущейся материальной точкой в пространстве, называется траекторией. Движения разделяются на прямолинейные и криволинейные в зависимости от вида траектории. Представление траектории точки в виде некоторой непрерывной линии связано с абстракцией классической физики о возможности неограниченной детализации описания движения (подробнее об этой абстракции см. в комментарии к теме «Принципы классической механики»).

Перемещение точки за промежуток времени t - это по определению вектор r, соединяющий положения точки в моменты t и t + t. Из рис. 1 видно, что r(t + t) = r(t) + r.

Путь s, пройденный точкой за тот же промежуток времени t,- это длина соответствующего отрезка траектории.

При прямолинейном движении в одном направлении s = |r|, при криволинейном s |r|. Путь s(t), пройденный точкой к моменту времени t,- это длина траектории от некоторого начального положения A, где точка находилась в момент времени t = 0 (см. рис. 1), до положения в момент t. Если точка меняла направление движения по той же траектории, то ее путь s - это полное пройденное вдоль траектории расстояние.

Средняя скорость определяется как вектор, равный отношению перемещения к промежутку времени, в течение которого совершено это перемещение: vср = r/t. Вектор средней скорости характеризует быстроту, с которой совершается перемещение за определенный промежуток времени t.

Для характеристики быстроты движения за конечный промежуток времени наряду c вектором средней скорости vср иногда вводят среднюю скорость прохождения пути vs (или среднюю скорость движения по траектории) по следующему определению: vs = s/t. При прямолинейном движении в одном направлении |vср | = vs, при криволинейном движении |vср | vs, так как длина хорды меньше длины стягиваемой этой хордой дуги.

Скорость (мгновенная скорость) в момент времени t - предел, к которому стремится средняя скорость при t 0, т. е.

производная от r(t) по t:

r dr v = lim =. (1) t0 t dt Мгновенная скорость характеризует быстроту движения точки в данный момент времени или в данной точке траектории. Возможность рассматривать мгновенную скорость материальной точки как производную радиуса-вектора по времени связана с абстракцией классической физики о возможности неограниченной детализации описания движения (подробнее см. в комментарии к теме «Принципы классической механики»). Скорость в каждой точке направлена по касательной к траектории, так как направление касательной - это предельное направление хорды при стремлении к нулю длины хорды.

Проекции скорости на оси координат равны производным по времени от соответствующих координат:

dx dy dz vx =, vy =, vz =. (2) dt dt dt

Ускорение в момент времени t определяется как производная от v(t) по t:

dv dvx dvy dvz a=, или ax =, ay =, az =. (3) dt dt dt dt Небольшой участок криволинейной траектории можно аппроксимировать дугой окружности. Чтобы найти положение центра этой окружности и ее радиус, можно построить перпендикуляр к касательной в данной точке траектории, затем еще один перпендикуляр к касательной в некоторой вспомогательной соседней точке траектории. Пересечение этих перпендикуляров приближенно дает положение центра кривизны траектории. Точное положение находится как предельное положение точки пересечения перпендикуляров при неограниченном приближении второй (вспомогательной) точки к данной точке траектории. Положение центра кривизны и радиус кривизны непрерывно изменяются при движении вдоль траектории (лишь в частном случае движения по окружности радиус кривизны и положение центра кривизны остаются неизменными).

Для каждой точки криволинейной траектории можно ввести единичные векторы n и, направленные соответственно по нормали к траектории (в сторону центра кривизны) и по касательной к траектории. Тогда вектор скорости v в данной точке можно представить в виде v = v, где v – проекция скорости на направление вектора. Эта проекция положительна при совпадении направления движения с направлением вектора, и отрицательна в противном случае. Проекция вектора скорости на направление нормали к траектории равна нулю.

Чтобы найти проекции вектора ускорения на направления касательной и нормали, нужно вычислить производную по времени от вектора скорости v = v:

dv d(v) dv d a= = = + v. (4) dt dt dt dt Здесь первое слагаемое в правой части - вектор, направленный по касательной к траектории (тангенциальное ускорение), второе слагаемое - вектор, направленный по нормали к центру кривизны траектории (нормальное ускорение). Можно показать, что v (d /dt) = (v /R)n, где R - радиус кривизны траектории в данной точке (рис. 2).

Рис. 2: Разложение ускорения при криволинейном движении на нормальную и тангенциальную составляющие.

Поэтому выражение (4) дает разложение вектора ускорения на две составляющие: тангенциальное ускорение a, направленное по касательной к траектории, и нормальное ускорение an, направленное по нормали к центру кривизны траектории (см. рис.

Пространство, время, движение как атрибуты материи.

Пространство - универсальное свойство материи, характери­зующее ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие различных материальных систем.

Время - универсальное свойство материи, характеризующее длительность существования, последовательность смены состоя­ний в развитии всех материальных систем.

Пространство и время неразрывно связаны между собой, что и проявляется в движении материи и ее развитии.

Движение - универсальное свойство материального бытия, характеризующее процесс изменения и взаимодействия материаль­ных систем.

Развитие характеризует качественно необратимое и направ­ленное изменение системы. В свою очередь, направленность быва­ет трех видов: прогрессивной, регрессивной и адаптационной («плоскостной», одноуровневой).

Вплоть до XIX века движение рассматривалось в основном механистически, как простое пространственное перемещение тел. Однако философия показала, что даже механическое движение со­держит в себе ряд проблем. Древнегреческий философ и математик (Зенон Элейский сформулировал так называемые апории («апория» в переводе с греческого - «затруднение», «безвыходное положе­ние»), раскрывающие внутренне противоречивую природу движе­ния. В одной из своих апорий под названием «Летящая стрела» Зенон рассуждает следующим образом: для того, чтобы преодолеть некоторое расстояние, стрела должна сначала пролететь его поло­вину, затем половину половины, затем четверть половины и т.д. до бесконечности. В каждый конкретный момент времени стрела за­нимает определенное пространственное положение, равное ей по величине, т.е. она покоится. Следовательно, по мнению Зенона, ле­тящая стрела покоится, и движения не существует. Согласно ле­генде, один из учеников Зенона, желая его опровергнуть, стал мол­ча прохаживаться перед учителем, полагая, что тем самым он доказывает наличие движения. Однако Зенон остался при своем мнении, заметив, что логического доказательства движения нет, а полагаться на визуальное восприятие движения нельзя, ибо чувства всегда обманчивы.

Понимание движения как исключительно механического пе­ремещения тел в пространстве было преодолено в философской системе Гегеля, который впервые интерпретировал движение как атрибутивную характеристику бытия. Справедливо указывая на роль Гегеля в преодолении упрощенного механицизма в интерпре­тации движения, необходимо отметить и те научные открытия, ко­торые этому способствовали. В первую очередь, это закон сохра­нения и преобразования энергии, создание эволюционной теории Ч. Дарвина и теория клеточного строения организма.

В современной философии выделяют следующие формы дви­жения:

механическое,

физическое,

химическое,

биологическое,

социальное.

В рамках и философии, и науки сложились две основные мо­дели, описывающие характер взаимоотношений между простран­ством, временем и движением.

Субстанциальная модель трактует пространство и время как самостоятельные сущности, внешние условия существования и движения тел. В рамках субстанциальной модели, приверженцами кото­рой были Платон, Декарт, Ньютон, сложилось представление об аб­солютном пространстве и времени. Абсолютное пространство есть бесконечная протяженность, вмещающая в себя всю материю и не зависящая от процессов, происходящих в ней. Абсолютное время есть текущая безотносительно к каким-либо изменениям равномер­ная длительность, в которой все возникает и все исчезает. В качестве одной из возможных гипотез данная модель существует в современ­ной физике, в частности в геометродинамике, которая утверждает, что в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства.

Реляционная модель, гипотетически осмысленная Г. Лейб­ницем и Г. Гегелем, а математически обоснованная А. Эйнштейном, обосновывает неразрывную связь пространства и времени как единой формы движущейся материи, устанавливает единство пространст­венно-временной и причинно-следственной структуры мира.

Перцептуальный анализ (перцепция - от лат. perceptio - представление, восприятие) фиксирует отражение объективной пространственно-временной структуры реальности в формах чув­ственно-образного восприятия. Становление концепции перцеп­тивного пространства и времени было положено И. Кантом, рас­сматривавшим пространство и время как всеобщие и необходимые условия чувственного созерцания. Именно Кант обосновал поло­жение, согласно которому способность человека структурировать и упорядочивать внешние ощущения проистекает из структуры про­странственно-временных отношений, внутренне присущих самой познавательности активности человека.

Перцептивное восприятие пространственно-временных отно­шений реализуется на двух уровнях: на уровне индивидуально- личностного восприятия и на уровне художественного образа.

Перцептивный анализ пространственно-временных отноше­ний на уровне индивидуально-личностного восприятия .

Современ­ная психология установила, что конкретно-чувственный образ про­странства и времени различен не только у разных людей, но может различаться и у одного и того же человека в зависимости от его эмоционально-психического состояния. Последнее явно заметно в таких речевых конструкциях, как «время бежит», «время останови­лось», «я ощущал данное место как зловещее, чуждое мне» и т.п. Естественно, приведенные фразы фиксируют не объективную изменчивость пространственно-временных параметров мира, а лишь их субъективно-личностную оценку индивидом. Однако данная оценка не является сугубо произвольной и, в свою очередь, зависит от таких параметров как:

психологический тип человека (время для холерика и флег­матика течет, в некоторой степени, по-разному),

наличие благоприятного или агрессивного окружения (фона),

количества информации, перерабатываемой мозгом в дан­ный момент времени. Психологи установили четкую зави­симость: восприятие времени как «остановившегося», «медленного» характерно для ситуаций низкой интеллек­туальной или эмоциональной активности человека.

Восприятие пространственно-временных отношений на уров­не художественного образа. Предмет искусства, в отличие от предметов реально-вещественного мира, представляет собой един­ство трех уровней, а, следовательно, и трех пластов пространственно-временных отношений. Предмет искусства существует:

а) в реальном физическом пространстве-времени,

в) в пространстве времени его интерпретатора, т.е. зрителя.

В реальном пространстве-времени предмет искусства сущест­вует как обычный физический предмет, подверженный всем зако­нам материального мира - старению, порче холста, выцветанию красок и т.д. Но предмет становится носителем художественного образа, только выйдя за пределы реального пространства-времени и создав особый тип духовной реальности. В отличие от физического объекта, эстетический объект существует в знаково-символической реальности, поэтому в сфере искусства значимым является не только аспект содержания, но и способ выражения, художествен­ной подачи данного содержания. Соотношение этих двух аспектов в истории искусст ва может быть различным, от акцентирования содержательного аспекта и стремления к подобию в рамках реа­лизма, до провозглашения прав художника на полное и абсолютное изобретательство в неклассическом искусстве. Но в любом случае художественный образ потому и является образом , что осуществ­ляет личностную, субъективную интерпретацию реальности, в том числе и пространственно-временных отношений. Необходимым ус­ловием перцептивного пространства-времени как элемента худо­жественного образа является наличие в нем элементом фантазии, творческого воображения, авторского самобытного мировидения, при помощи которых Мастер и достигает проникновения в сущ­ность изображаемого объекта. Наоборот, стремление к полной ими­тации как, например, в театре восковых фигур оставляет данное явление за пределами искусства.