Современные представления о пространстве и времени.

Заключение
Рассмотренный материал позволил прийти к следующим выводам о современных представлениях о пространстве и времени.
Первые концепции пространства и времени возникли в античное время и связан с такими менами, как Аристотель, Эпикур. Наибольших успехов в объяснении пространственно-временных отношений достигла механика Ньютона, для которой характерно введение трехмерного пространства.
Однако, с появлением новых достижений в исследовании Вселенной механистическая картина мира была пересмотрена. Проблема космологии для естествознания стоит наиболее остро. С появлением новой техники нам удалось получить информацию о Вселенной, но до сих пор остается открытым главный вопрос её происхождения. Однако, уровень развитие техники не позволяет получить информацию об отдаленных уголках Вселен ...

Оглавление
Введение 3
Глава 1. Эволюция представлений о пространстве и времени 4
1.1. Концепции Античности 4
1.2. Взгляды Галилея 5
1.3. Создание картины мира Ньютоном 6
1.4. Концепции Лейбница 7
Глава 2. Современные представления о пространстве и времени 9
Заключение 19
Список литературы 20

Введение
По последним представлениям, что после того как 15 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, началось постепенное охлаждение и расширение Вселенной. Также, существует «теория струн» и другие теории, описывающие возникновение Вселенной. Научное познание всегда стремилось выявить законы, по которым устроена природа.
Целью написания реферата является изучение современных представлений о пространстве и времени.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• Рассмотреть концепции Античности;
• Описать особенности взглядов на проблему пространства и времени Галилея;
• Рассмотреть создание картины мира Ньютоном;
• Изучить концепции Лейбница;
• Рассмотреть современные представления о пространстве и времени.
При написании реферата использовалась литература, статьи в научных журна лах, открытые Интернет-сайты.

Лейбниц делает утверждение, что пространство и время субъективны. Особенность лейбницевой концепции пространства и времени состоит в том, что в ней отвергается представление о пространстве и времени как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от неё. По Лейбницу, пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, существующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. При этом Лейбниц в дальнейшем включал в понятие порядка также и понятие относительной величины. Представление о протяжённости отдельного тела, рассматриваемого безотносительно к другим, по концепции Лейбница, не имеет смысла. Пространство есть отношение ("порядок"), применимое лишь ко многим телам, к "ряду" тел. Можно говорить только об относительном размере данного тела в сравнении с размерами других тел. То же можно сказать и о длительности: понятие длительности применимо к отдельному явлению постольку, поскольку оно рассматривается как звено в единой цепи событий. Протяжённость любого объекта, по Лейбницу, не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния; что же касается самой природы времени как порядка сменяющихся явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь. Логически концепция Лейбница связана со всей его философской системой в целом.
Глава 2. Современные представления о пространстве и времени
С развитием науки изменялись и представления о пространстве и времени. В 20-ом веке существенным трансформациям подверглось и понимание таких опорных категорий-понятий, которые показывают реальное бытие материи, как пространство, время, взаимодействие.
На смену пространству Евклида в специальной теории относительности (СТО) приходит четырехмерное псевдоевклидово пространство Минковского, где величина времени по своему месту в физических уравнениях эквивалентно трем пространственным координатам. В специальной теории относительности пространство и время не могут быть рассмотрены независимо друг от друга, а речь идет о четырехмерном пространстве-времени.
Эйнштейновское понятие «пространственно-временного континуумам, в котором реально существуют материальные объекты, исходило из того факта, что, во-первых, и пространство, и время предстают сложными, изменчивыми величинами (искривление пространства, изменение хода времени и т.п.), а, во-вторых, они выступают тесно связанными друг с другом, взаимоопределяющими. Гораздо более сложным стало представлять и материальное взаимодействие, уже не как исключительно гравитационное, но и электромагнитное. Итак, материальная основа мира представала в новой формирующейся модели науки сложной, изменчивой, парадоксальной, во многом непредсказуемой.
В основе специальной теории относительности лежал исследования одновременно происходящих событий. Для определения понятия одновременности происхождения событий Эйнштейн сформулировал принцип: два события, происходящие в различных точках пространства, одновременны, если посланные в момент каждого события световые лучи встречаются на середине отрезка, соединяющего эти точки4.
Согласно современным представлениям о материи всё вещество состоит из 6 типов частиц: электронов, верхних и нижних кварков, глюонов, фотонов и бозонов Хиггса. На основе этих представлений строится Стандартная модель физики элементарных частиц, сформулированная в 1970-е гг. Весь этот период продолжаются эксперименты, направленные на доказательство отдельных аспектов Стандартной модели.
Стандартная модель – самая успешная физическая теория в истории науки. Частицы согласно Стандартной модели взаимодействуют друг с другом. Именно характер взаимодействия частиц положен в основу модели. Взаимодействие элементарных частиц описывает релятивистская квантовая теория поля, сформулированная в первой половине ХХ в. Стандартная модель описывает три из четырех известных взаимодействий: электромагнетизм, слабое (участвующее в формировании химических элементов) и сильное (удерживающее вместе протоны, нейтроны и ядра) взаимодействия. Для гравитации постулированы гравитоны, но силы тяготения не входят в Стандартную модель. При взаимодействии частицы могут не только отталкиваться и притягиваться, но и менять свою природу (тождественность), рождаться и распадаться.
В ядре осуществляется сильное (ядерное) взаимодействие. Оно ответственно за устойчивость (стабильность) атомных ядер, обеспечивая связь нуклонов в ядре, т.е. ему подвержены протоны и нейтроны. Оно превосходит, когда силы электростатического отталкивания протонов в ядре и обеспечивает силы притяжения между ними. При этом, оно является короткодействующим и сосредоточено на расстояниях, не превышающих размеры ядра атома. Переносчиками сильного взаимодействия являются виртуальные частицы – глюоны (масса покоя которых равна нулю). Глюоны «соединяют» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.
Также для микромира характерно электромагнитное взаимодействие, которое характеризует взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических полей. Данное взаимодействие сформулировано квантовой электродинамикой. Оно связывает: электроны и ядра в атомы; атомы – в молекулы; а молекулы – в тела.
Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются виртуальные частицы – кванты электромагнитного поля – фотоны (масса покоя которых равна нулю).
Однако, модель необходимо дополнить описанием новых частиц, которые принимают участие в реакциях при высоких энергиях. Вскоре существование новых частиц будет подтверждено экспериментально. После 30 лет затишья теория элементарных частиц входит в новую эру открытий. Физика пост-Стандартной модели поможет разгадать многие тайны мироздания.
Изучая чрезвычайно слабо взаимодействующие с веществом солнечные нейтрино и нейтрино в космических лучах, ученые установили, что эти призрачные частицы имеют массу. Такого результата давно ожидали теоретики, занимающиеся расширением Стандартной модели.
Дальнейшие исследования прояснят содержание теории, объясняющей наблюдаемые массы нейтрино.
Кроме того, разрабатываются эксперименты, в которых будут обнаружены таинственные частицы, образующие холодную темную материю Вселенной. Также в ближайшее время ученые надеются выяснить, распадаются ли протоны. Любая из этих работ может стать отправной точкой путешествия за пределы Стандартной модели.
Подобные исследования возвещают приход новой эры захватывающих открытий в физике элементарных частиц.
Стандартная модель – это законченная математическая теория, весьма устойчивая система взаимосвязанных взглядов. Она может стать частью более обширной доктрины, но никак не может быть ошибочной. Если хотя бы одна ее часть была неверна, то рухнула бы вся структура, и множество успешных проверок оказались бы чисто случайным совпадением. Вместе с тем теория точно описывает сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия при низких энергиях.
Поиски ответа приводят нас к давней задаче объединения всех сил природы. Воспользовавшись экстраполяцией, мы можем узнать, какими были силы взаимодействий при чрезвычайно высоких температурах вскоре после Большого взрыва.
При низких энергиях сильное взаимодействие приблизительно в 30 раз сильнее слабого и более чем в 100 раз сильнее электромагнитного. При высоких энергиях значения сил этих трех взаимодействий становятся очень близкими, но все же неодинаковыми. В Стандартной модели, расширенной до Минимальной стандартной модели с суперсимметрией, с ростом энергии силы становятся по существу идентичными.
Кроме того, при несколько более высоких энергиях они приближаются к силе гравитационного взаимодействия, что наводит на мысль о связи между тяготением и взаимодействиями Стандартной модели – немаловажный довод в пользу Минимальной стандартной модели с суперсимметрией.
В теории предполагается, что наличие массы у лептонов, кварков, W- и Z-бозонов обусловлено взаимодействием с полем Хиггса, которое еще не было непосредственно зарегистрировано в эксперименте.
Поле Хиггса существенно отличается от любого другого поля. Стандартная модель требует, чтобы при самой низкой энергии значение поля Хиггса было отлично от нуля. Таким образом, это поле пронизывает всю Вселенную, и частицы всегда взаимодействует с ним, проходя сквозь него подобно людям, идущим по пояс в воде. Взаимодействие придает частицам массу, инертность.
В Большом адронном коллайдере (БАК), который расположен в Женеве, адроны разгоняются до околосветовых скоростей и сталкиваются; в результате образуются новые частицы. БАК был введен в строй в 2009 году.
Из последних достижений науки стало известно, что найден бозон Хиггса, отвечающий за массу. В Женеве в Европейской организации ядерных исследований (CERN) завершился семинар, на котором были представлены последние данные работы Большого адронного коллайдера, в частности, результаты усилий по поискам бозона Хиггса. Выводы пока являются предварительными, но уровень сигнала в 5 сигма вблизи массы в 125 ГэВ, который мы видим, — это кардинально новый результат. Это действительно новая частица5.
На сегодня продолжаются исследования элементарных частиц. От вопросов состава вещества, которые волновали ученых на первых этапах исследования элементарных частиц, физики перешли к решениям проблем, связанных с возникновением и развитием Вселенной, Солнечной системы и нашей планеты. Исследования бозона Хиггса в ЦЕРН позволят ответить на вопросы формирования массы вещества, что позволит подтвердить или опровергнуть гипотезу Большого взрыва, как начала возникновения Вселенной.
Стандартная модель продолжит оставаться эффективной теорией. Эффективная теория – это описание одного из свойств природы, включающее исходные данные, которые в принципе можно вычислить с помощью более глубокой теории. Например, в ядерной физике в качестве исходных данных выступают масса, заряд и спин протона. В Стандартной модели эти величины можно вычислить, используя свойства кварков и глюонов как исходные данные. Таким образом, ядерная физика – эффективная теория ядер, а Стандартная модель – эффективная теория кварков и глюонов.
Благодаря ей мы рано или поздно достигнем такой степени понимания свойств природы, когда теорию можно будет сформулировать вообще без исходных данных. Возможно, теория струн или один из ее вариантов позволят нам не только вычислить массу электрона и другие величины, но и обосновать свойства пространства-времени и правила квантовой теории6.
Если бы существовал очевидный механизм экстраполяции струн в низкоэнергетическую физику, то теория струн представила бы нам все фундаментальные частицы и их взаимодействия в виде ограничений на спектры возбуждений нелокальных одномерных объектов. Характерные габариты компактифицированных струн очень малы, порядка 10− 33 см (порядка планковской длины), потому они недосягаемы наблюдению в опыте. Аналогично колебаниям струн музыкальных приборов спектральные элементы струн возможны лишь для определённых частот (квантовых амплитуд). Чем больше частота, тем больше энергия, накопленная в таком колебании, и, в соответствии с формулой e=mc², тем больше масса частички, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна в наблюдаемом мире.
Непротиворечивые и самосогласованные квантовые теории струн вероятны только в местах высшей размерности (больше четырёх, учитывая размерность, связанную со временем). В связи с этим в струнной физике раскрыт вопрос о размерности пространства-времени. То, что в макроскопическом (конкретно наблюдаемом) мире дополнительные пространственные измерения не наблюдаются, объясняется в струнных теориях одним из 2-ух возможных устройств: компактификация данных измерений — скручивание до размеров порядка планковской длины, или локализация всех частиц многомерной вселенной (мультивселенной) на четырёхмерном мировом листе, который и являет собой наблюдаемую часть мультивселенной. Предполагается, что высшие размерности могут обнаруживаться во взаимодействиях элементарных частиц при высоких энергиях, но до сих пор экспериментальные указания на такие проявления отсутствуют7.
При построении теории струн различают подход первичного и вторичного квантования. Последний оперирует понятием струнного поля; функционала на пространстве петель, аналогично квантовой теории поля. В формализме первичного квантования математическими методами описывается перемещение пробной струны во внешних струнных полях, при этом не исключается взаимодействие между струнами, в том числе распад и соединение струн. Подход первичного квантования связывает теорию струн с обычной теорией поля на мировой поверхности.
Наиболее реалистичные теории струн в качестве обязательного элемента включают суперсимметрию, поэтому такие теории называются суперструнными. Набор частиц и взаимодействий между ними, наблюдающийся при относительно низких энергиях, практически воспроизводит структуру стандартной модели в физике элементарных частиц, причём многие свойства стандартной модели получают изящное объяснение в рамках суперструнных теорий. Тем не менее, до сих пор нет принципов, с помощью которых можно было бы объяснить те или иные ограничения струнных теорий, чтобы получить некое подобие стандартной модели.
В середине 1980-х годов Майкл Грин и Джон Шварц пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а двумя способами: первый — это суперсимметрия мировой поверхности струны, второй — пространственно-временная суперсимметрия. В своей основе данные способы введения суперсимметрии связывают методы конформной теории поля со стандартными методами квантовой теории поля. Технические особенности реализации данных способов введения суперсимметрии обусловили возникновение пяти различных теорий суперструн — типа I, типов IIA и IIB, и двух гетеротических струнных теорий. Возникший в результате этого всплеск интереса к теории струн был назван «первой суперструнной революцией». Все эти модели формулируются в 10-мерном пространстве-времени, однако различаются струнными спектрами и калибровочными группами симметрии. Заложенная в 1970-х и развитая в 1980-х годах конструкция 11-мерной супергравитации, а также необычные топологические двойственности фазовых переменных в теории струн в середине 1990-х привели ко «второй суперструнной революции». Выяснилось, что все эти теории, на самом деле, тесно связаны друг с другом благодаря определённым дуальностям. Было высказано предположение, что все пять теорий являются различными предельными случаями единой фундаментальной теории, получившей название М-теории. В настоящее время ведутся поиски адекватного математического языка для формулировки этой теории.
Рис. 1. Уровни строения мира:
1. Макроскопический уровень — вещество
2. Молекулярный уровень
3. Атомный уровень — протоны, нейтроны и электроны
4. Субатомный уровень — электрон
5. Субатомный уровень — кварки
6. Струнный уровень8