Абсолютное пространство и время

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

Ранняя концепция

Вариант концепции абсолютного пространства (в смысле предпочтительной системы отсчета ) можно увидеть в аристотелевской физике . Роберт С. Вестман пишет, что «дуновение» абсолютного пространства можно наблюдать в Коперника книге «De Revolutionibus orbium coelestium» , где Коперник использует концепцию неподвижной сферы звезд.

Ньютон

Первоначально представленные сэром Исааком Ньютоном в «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» , концепции абсолютного времени и пространства обеспечили теоретическую основу, которая облегчила ньютоновскую механику . Согласно Ньютону, абсолютное время и пространство соответственно являются независимыми аспектами объективной реальности:

Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по своей собственной природе течет равномерно, не обращая внимания ни на что внешнее, и называется под другим именем продолжительностью: относительное, кажущееся и обычное время есть некая разумная и внешняя (будь то точная или неравномерная) мера. продолжительности посредством движения, которое обычно используется вместо истинного времени...

Согласно Ньютону, абсолютное время существует независимо от какого-либо воспринимающего человека и движется с постоянной скоростью по всей Вселенной. В отличие от относительного времени, Ньютон считал, что абсолютное время незаметно и его можно понять 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 природе, безотносительно ни к чему внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство — это некоторое подвижное измерение или мера абсолютных пространств; которое наши чувства определяют по его положению по отношению к телам: и которое в просторечии принимают за неподвижное пространство...Абсолютное движение — это перевод тела из одного абсолютного места в другое, а относительное движение — переход 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, на 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 . В подтверждение своих взглядов Ньютон привел несколько эмпирических примеров: согласно Ньютону, можно сделать вывод, что одиночная вращающаяся сфера вращается вокруг своей оси относительно абсолютного пространства, наблюдая за выпуклостью ее экватора, а одинокая пара сфер, связанных веревкой, может можно сделать вывод, что они находятся в абсолютном вращении вокруг своего центра тяжести ( барицентра ), наблюдая за натяжением веревки.

Разные взгляды

Две сферы, вращающиеся вокруг оси. Сферы расположены достаточно далеко, чтобы можно было игнорировать их влияние друг на друга, и они скреплены веревкой. Если верёвка находится под натяжением, то это потому, что тела вращаются относительно абсолютного пространства по Ньютону , или потому, что они вращаются относительно самой Вселенной по Маха , или потому, что они вращаются относительно локальных геодезических согласно общей теории относительности .

Исторически существовали разные взгляды на концепцию абсолютного пространства и времени. Готфрид Лейбниц придерживался мнения, что пространство не имеет смысла, кроме как относительное расположение тел, а время не имеет смысла, кроме как относительное движение тел. Джордж Беркли предположил, что из-за отсутствия какой-либо точки отсчета сферу в пустой вселенной нельзя представить вращающейся, а пару сфер можно представить вращающейся относительно друг друга, но не вращающейся вокруг своего центра тяжести. пример, позже приведенный Альбертом Эйнштейном при разработке общей теории относительности.

Более позднюю форму этих возражений высказал Эрнст Мах . Принцип Маха предполагает, что механика целиком связана с относительным движением тел и, в частности, масса является выражением такого относительного движения. Так, например, одна частица во Вселенной, где нет других тел, будет иметь нулевую массу. По мнению Маха, примеры Ньютона просто иллюстрируют относительное вращение сфер и массы Вселенной.

Когда, соответственно, мы говорим, что тело сохраняет неизменным свое направление и скорость в пространстве , наше утверждение есть не что иное, как сокращенное указание на всю Вселенную .
—Эрнст Мах

Эти взгляды, противостоящие абсолютному пространству и времени, с современной точки зрения можно рассматривать как попытку ввести оперативные определения пространства и времени - точка зрения, явно выраженная в специальной теории относительности.

Даже в контексте механики Ньютона современная точка зрения состоит в том, что абсолютное пространство не является необходимым. понятие инерциальной системы отсчета Вместо этого приоритет взяло , то есть предпочтительного набора систем отсчета , которые движутся равномерно относительно друг друга. Законы физики преобразуются из одной инерциальной системы отсчета в другую в соответствии с теорией относительности Галилея , что приводит к следующим возражениям против абсолютного пространства, изложенным Милютином Благоевичем:

• Существование абсолютного пространства противоречит внутренней логике классической механики, поскольку, согласно принципу относительности Галилея, ни одна из инерциальных систем отсчета не может быть выделена.
• Абсолютное пространство не объясняет силы инерции, поскольку они связаны с ускорением по отношению к любой из инерциальных систем отсчета.
• Абсолютное пространство действует на физические объекты, вызывая их сопротивление ускорению, но на него невозможно воздействовать.

Сам Ньютон признавал роль инерциальных систем отсчета.

Движения тел, входящих в данное пространство, одинаковы между собой, независимо от того, покоится ли это пространство или движется равномерно вперед по прямой.

На практике инерциальные системы отсчёта часто принимают за системы, движущиеся равномерно относительно неподвижных звёзд . см . в разделе «Инерциальная система отсчета» Дополнительную информацию об этом .

Математические определения

Пространство , как оно понимается в механике Ньютона , трехмерно и евклидово , с фиксированной ориентацией . Он обозначается Е ³ . Если некоторая точка O в E ³ фиксирован и определяется как начало координат , положение любой точки P в E ³ однозначно определяется своим радиусом-вектором $\mathbf {r} ={\vec {OP}}$ (начало этого вектора совпадает с точкой О , а конец — с точкой Р ). Трехмерное линейное векторное пространство R ³ представляет собой набор всех радиусов-векторов. Пространство Р ³ наделен скалярным произведением ⟨ , ⟩.

Время — это скаляр , один и тот же во всем пространстве E. ³ и обозначается как т . Упорядоченный набор { t } называется осью времени.

Движение (также путь или траектория ) — это функция r : Δ → R ³ который отображает точку в интервале Δ от оси времени в позицию (радиус-вектор) в R ³ .

Вышеупомянутые четыре понятия являются «хорошо известными» объектами, упомянутыми Исааком Ньютоном в его «Началах» :

Я не определяю время, пространство, место и движение как хорошо известные всем.

Специальная теория относительности

Понятия пространства и времени были отдельными 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 вытеснены понятием пространства-времени в специальной теории относительности и искривленного пространства-времени в общей теории относительности .

Абсолютная одновременность означает совпадение событий во времени в разных местах пространства способом, согласованным во всех системах отсчета. В теории относительности нет 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. что отрицает абсолютную одновременность.

Эйнштейн

Основная статья: Взгляды Эйнштейна на эфир

Цитируемый ниже из его более поздних работ, Эйнштейн отождествлял термин «эфир» со «свойствами пространства» - терминологией, которая не получила широкого распространения. Эйнштейн заявил, что в общей теории относительности «эфир» больше не является абсолютным, поскольку геодезические и, следовательно, структура пространства-времени зависят от присутствия материи.

Отрицать эфир — значит, в конечном счете, предполагать, что пустое пространство вообще не имеет физических качеств. Основные 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 и от состояния ее вращения, которое физически можно принять как характеристику, не принадлежащую системе самой по себе. Чтобы иметь возможность рассматривать вращение системы, хотя бы формально, как нечто реальное, Ньютон объективирует пространство. Поскольку он классифицирует свое абсолютное пространство вместе с реальными вещами, для него вращение относительно абсолютного пространства также является чем-то реальным. Ньютон с таким же успехом мог бы назвать свое абсолютное пространство «Эфиром»; существенно лишь то, что, помимо наблюдаемых объектов, еще одна вещь, которая не воспринимается, должна рассматриваться как реальная, чтобы можно было ускорение или вращение как нечто реальное. рассматривать

- Альберт Эйнштейн, Эфир и теория относительности (1920)

Поскольку больше невозможно было говорить в каком-либо абсолютном смысле об одновременных состояниях в разных местах эфира, эфир стал как бы четырехмерным, поскольку не существовало объективного способа упорядочить его состояния только по времени. Согласно специальной теории относительности, эфир был абсолютным, поскольку его влияние на инерцию и распространение света считалось независимым от физического влияния... Теория относительности решила эту проблему, установив поведение электрически нейтрального вещества. точечная масса по закону геодезической линии, согласно которому инерционные и гравитационные эффекты больше не рассматриваются как отдельные. При этом он придал 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 эфира классической механики и специальной теории относительности тем, что он не «абсолютен», а определяется в своих локально изменяющихся характеристиках весомой материей.

- Альберт Эйнштейн, Через эфир (1924)

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). а общая теория относительности еще больше сужает физические рамки абсолютного пространства и времени посредством концепции геодезической . Кажется, что существует абсолютное пространство по отношению к далеким звездам , потому что местные геодезические в конечном итоге передают информацию от этих звезд, но нет необходимости ссылаться на абсолютное пространство по отношению к физике какой-либо системы, поскольку ее локальных геодезических достаточно для описания ее пространства-времени.

См. также

• Абсолютное вращение
• Абсолютная теория
• Апейрон
• Аргумент ведра
• Коперниканский принцип
• Инерциальная система отсчета
• Светоносный эфир
• Принцип Маха
• Философия пространства и времени
• Вращающиеся сферы
• Замедление времени
• Вакуум

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с абсолютным пространством и временем, на Викискладе?