Абсолютное пространство и время - Absolute space and time

Время
Текущее время (Обновить )
08:48, 6 декабря 2020 г. (универсальное глобальное время )

Абсолютное пространство и время это концепция в физика и философия о свойствах Вселенной. В физике абсолютное пространство и время могут быть предпочтительный фрейм.

Перед Ньютоном

Вариант концепции абсолютного пространства (в смысле предпочтительный фрейм ) можно увидеть в Аристотелевская физика.[1] Роберт С. Вестман пишет, что "запах" абсолютного пространства можно наблюдать в Коперник с De Revolutionibus orbium coelestium, где Коперник использует понятие неподвижной звездной сферы.[2]

Ньютон

Первоначально представленный Сэр Исаак Ньютон в Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, концепции абсолютного времени и пространства дали теоретическую основу, которая облегчила Ньютоновская механика.[3] Согласно Ньютону, абсолютное время и пространство соответственно являются независимыми аспектами объективной реальности:[4]

Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и из своей собственной природы течет равномерно, независимо от чего-либо внешнего, и по другому имени называется длительностью: относительное, кажущееся и обычное время - это некоторая разумная и внешняя (точная или неравномерная) мера. продолжительности с помощью движения, которое обычно используется 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 незаметно и может быть понято только математически. Согласно Ньютону, люди способны воспринимать только относительное время, которое является мерой воспринимаемых движущихся объектов (например, Луны или Солнца). По этим движениям мы делаем вывод о течении времени.

Абсолютное пространство по своей природе, безотносительно к чему-либо внешнему, всегда остается подобным и неподвижным. Относительное пространство - это подвижное измерение или мера абсолютных пространств; которое наши органы чувств определяют по его положению к телам: и которое обычно принимается за неподвижное пространство ... Абсолютное движение - это перевод тела из одного абсолютного места в другое, а относительное движение - это перевод 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 движения. отдых, или двигаясь в каком-то абсолютном скорость.[5] В подтверждение своих взглядов Ньютон привел несколько эмпирических примеров: согласно Ньютону, можно сделать вывод, что уединенная вращающаяся сфера вращается вокруг своей оси относительно абсолютного пространства, наблюдая выпуклость ее экватора, а уединенная пара сфер, связанных веревкой, может предположительно быть в абсолютное вращение об их центре тяжести (барицентр ), наблюдая за натяжением веревки.

Разные взгляды

Две сферы вращаются вокруг оси. Сферы расположены достаточно далеко, чтобы их влияние друг на друга можно было игнорировать, и они удерживаются вместе веревкой. Если веревка натянута, это потому, что тела вращаются относительно абсолютного пространства согласно Ньютон, или потому что они вращаются относительно самой Вселенной согласно Мах, или потому что они вращаются относительно локального геодезические в соответствии с общая теория относительности.

Исторически сложились разные взгляды на концепцию абсолютного пространства и времени. Готфрид Лейбниц придерживался мнения, что пространство не имело смысла, кроме как относительного расположения тел, а время не имело смысла, кроме как относительного движения тел.[6] Джордж Беркли предположил, что без какой-либо точки отсчета сфера в пустой вселенной не может быть представлена ​​вращающейся, а пара сфер может вращаться относительно друг друга, но не вращаться вокруг своего центра тяжести,[7] пример, позже приведенный Альберт Эйнштейн в его развитии общей теории относительности.

Более позднюю форму этих возражений высказал Эрнст Мах. Принцип маха предполагает, что механика полностью посвящена относительному движению тел и, в частности, масса является выражением такого относительного движения. Так, например, единичная частица во вселенной без других тел будет иметь нулевую массу. Согласно Маху, примеры Ньютона просто иллюстрируют относительное вращение сфер и основной части Вселенной.[8]

Когда, соответственно, мы говорим, что тело сохраняет неизменными свое направление и скорость в космосе, наше утверждение - не что иное, как сокращенная ссылка на вся вселенная.
- Эрнст Мах; как цитирует Чуфолини и Уиллер: Гравитация и инерция, п. 387

Эти взгляды, противостоящие абсолютному пространству и времени, можно рассматривать с современной точки зрения как попытку представить операционные определения в отношении пространства и времени - перспектива, явно выраженная в специальной теории относительности.

Даже в контексте механики Ньютона современный взгляд состоит в том, что абсолютное пространство не нужно. Вместо этого понятие инерциальная система отсчета имеет приоритет, то есть предпочтительный набор систем отсчета которые движутся равномерно относительно друг друга. Законы физики преобразуются из одной инерциальной системы отсчета в другую в соответствии с Галилея относительность, что приводит к следующим возражениям против абсолютного пространства, как обрисовал Милутин Благоевич:[9]

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

Сам Ньютон признавал роль инерциальных систем отсчета.[10]

Движения тел, включенных в данное пространство, одинаковы между собой, независимо от того, находится ли это пространство в покое или движется равномерно вперед по прямой линии.

На практике инерциальные системы отсчета часто принимаются как системы, движущиеся равномерно относительно фиксированные звезды.[11] Видеть Инерциальная система отсчета для более подробного обсуждения этого.

Математические определения

Космос, как это понимается в Ньютоновская механика, является трехмерный и Евклидово, с фиксированной ориентация. Обозначается E3. Если какой-то момент О в E3 фиксируется и определяется как источник, то позиция любой точки п в E3 однозначно определяется своим радиус-вектор (начало этого вектора совпадает с точкой О а его конец совпадает с точкой п). Трехмерный линейное векторное пространство р3 это набор всех радиус-векторов. Космос р3 наделен скалярное произведение ⟨ , ⟩.

Время это скаляр что одинаково во всем пространстве E3 и обозначается как т. В заказанный набор { т } называется ось времени.

Движение (также дорожка или же траектория ) это функция р : Δ → р3 который карты точка в интервал Δ от оси времени до позиция (радиус-вектор) в р3.

Вышеупомянутые четыре концепции являются «хорошо известными» объектами, упомянутыми Исаак Ньютон в его Начала:

Я не определяю время, пространство, место и движение как хорошо известные всем.[12]

Специальная теория относительности

Концепции пространства и времени были разделены в физической теории до появления специальная теория относительности теория, которая связала эти два понятия и показала, что оба они зависят от движения системы отсчета. В теориях Эйнштейна идеи абсолютного времени и пространства были вытеснены понятием пространство-время в специальная теория относительности, и искривленное пространство-время в общая теория относительности.

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

Эйнштейн

Основная статья: Взгляды Эйнштейна на эфир

Цитируемые ниже из его более поздних работ, Эйнштейн определил термин эфир со «свойствами пространства» - терминологией, которая не используется широко. Эйнштейн заявил, что в общая теория относительности "эфир" больше не абсолютен, поскольку геодезический и поэтому структура пространства-времени зависит от наличия материи.[13]

Отрицать эфир - значит предполагать, что пустое пространство не имеет никаких физических качеств. Основные факты механики не согласуются с этой точкой зрения. Для механического поведения телесной системы, свободно парящей в пустое место зависит не только от относительного положения (расстояний) и относительных скоростей, но и от его состояния вращения, которое физически можно рассматривать как характеристику, не относящуюся к самой системе. Чтобы иметь возможность рассматривать вращение системы, хотя бы формально, как нечто реальное, Ньютон объективизирует пространство. Поскольку он классифицирует свое абсолютное пространство вместе с реальными вещами, для него вращение относительно абсолютного пространства также является чем-то реальным. С тем же успехом Ньютон мог бы назвать свое абсолютное пространство «эфиром»; существенно то, что помимо наблюдаемых объектов, еще одна вещь, которая не воспринимается, должна рассматриваться как реальная, чтобы позволить ускорение или же вращение рассматриваться как нечто реальное.

— Альберт Эйнштейн, Эфир и теория относительности (1920)[14]

Поскольку уже было невозможно говорить в каком-либо абсолютном смысле об одновременных состояниях в разных местах эфира, эфир стал как бы четырехмерным, поскольку не было 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 воздействия ... Теория относительности разрешила эту проблему, установив поведение электрически нейтрального точечная масса по закону геодезической линии, согласно которому инерционные и гравитационные эффекты больше не рассматриваются как отдельные. При этом он придавал эфиру характеристики, которые меняются от точки к точке, определяя метрику и динамическое поведение материальных точек и определяемых, 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 является «абсолютным», а определяется в своих локально изменяемых характеристиках весомой материей.

— Альберт Эйнштейн, Убер ден Этер (1924)[15]

Общая теория относительности

Специальная теория относительности исключает абсолютное время (хотя Гедель и другие подозревают, что абсолютное время может быть справедливым для некоторых форм общей теории относительности)[16] а общая теория относительности еще больше сужает физический объем абсолютного пространства и времени за счет концепции геодезические.[6]:207–223 Кажется, что существует абсолютное пространство по отношению к далекие звезды 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 его локальные геодезические достаточны для описания ее пространства-времени.[17]

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ Абсолютные и относительные теории пространства и движения
  2. ^ Роберт С. Вестман, Достижение Коперника, Калифорнийский университет Press, 1975, стр. 45.
  3. ^ Knudsen, Jens M .; Хьорт, Поул (2012). Элементы ньютоновской механики (иллюстрированный ред.). Springer Science & Business Media. п. 30. ISBN  978-3-642-97599-8.
  4. ^ В Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Увидеть Начала на линии в Эндрю Мотт Перевод
  5. ^ Пространство и время: инерциальные системы отсчета (Стэнфордская энциклопедия философии)
  6. ^ а б c Ферраро, Рафаэль (2007), Пространство-время Эйнштейна: введение в специальную и общую теорию относительности, Springer Science & Business Media, Bibcode:2007esti.book ..... F, ISBN  9780387699462
  7. ^ Пол Дэвис; Джон Гриббин (2007). Миф о материи: драматические открытия, бросающие вызов нашему пониманию физической реальности. Саймон и Шустер. п. 70. ISBN  978-0-7432-9091-3.
  8. ^ Эрнст Мах; как цитирует Игнацио Чуфолини; Джон Арчибальд Уиллер (1995). Гравитация и инерция. Princeton University Press. С. 386–387. ISBN  978-0-691-03323-5.
  9. ^ Милутин Благоевич (2002). Гравитация и калибровочные симметрии. CRC Press. п. 5. ISBN  978-0-7503-0767-3.
  10. ^ Исаак Ньютон: Начала, Следствие V, с. 88 в переводе Эндрю Мотта. Увидеть Начала на линии в Эндрю Мотт Перевод
  11. ^ К. Мёллер (1976). Теория относительности (Второе изд.). Оксфорд, Великобритания: Oxford University Press. п. 1. ISBN  978-0-19-560539-6. OCLC  220221617.
  12. ^ Ньютон 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Londini, Jussu Societatis Regiae ac Typis J. Streater, или Математические основы естественной философии, Лондон, Английский перевод Эндрю Мотт 1700-е гг. Из части Схолиума, перепечатанной на странице 737 г. На плечах гигантов: Великие труды по физике и астрономии (сочинения Коперник, Кеплер, Галилео, Ньютон, и Эйнштейн ). Стивен Хокинг, изд. 2002 г. ISBN  0-7624-1348-4
  13. ^ Костро, Л. (2001), «Новый эфир Альберта Эйнштейна и его общая теория относительности» (PDF), Материалы конференции по прикладной дифференциальной геометрии.: 78–86, архивировано с оригинал (PDF) на 02.08.2010.
  14. ^ Эйнштейн, Альберт: "Эфир и теория относительности " (1920), Взгляд на теорию относительности (Метуэн, Лондон, 1922 г.)
  15. ^ А. Эйнштейн (1924), "Über den Äther", Verhandlungen der Schweizerischen Naturforschenden Gesellschaft, 105 (2): 85–93. Английский перевод: Об эфире В архиве 2010-11-04 в Wayback Machine
  16. ^ Савитт, Стивен Ф. (сентябрь 2000 г.), «Нет времени лучше, чем настоящее (в пространстве-времени Минковского)», Философия науки, 67 (S1): S563 – S574, CiteSeerX  10.1.1.14.6140, Дои:10.1086/392846, S2CID  121275903
  17. ^ Гилсон, Джеймс Г. (1 сентября 2004 г.), Принцип Маха II, arXiv:физика / 0409010, Bibcode:2004физика ... 9010G