3.2. Концепции макромира

Макромир объединяет все многообразие материальных объектов, пространственные масштабы которых измеряются в микронах (мк), метрах (м) и километрах (км), а время в секундах (с) и часах (ч).

Все взаимодействия в макромире сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: гравитационному и электромагнитному. При скоростях много меньших скорости света (с = 300 000 км/с), все процессы и взаимодействия, происходящие в макромире, описываются тремя законами Ньютона, законом Всемирного тяготения и фундаментальными законами сохранения, такими как закон сохранения энергии, импульса, момента импульса, массы и электрического заряда. Взаимодействия молекул в твердом, жидком и газообразном состояниях, а также взаимодействие заряженных тел (зарядов) как покоящихся, так и движущихся, и проводников с токами, описываются законами классической электродинамики и теорией электромагнитного поля Максвелла.

Согласно теории близкодействия все взаимодействия в природе осуществляются через материальную среду (поле). Гравитационное взаимодействие происходит посредством гравитационного поля, создаваемого взаимодействующими телами. К примеру, сила тяжести тела (не путать с весом ) есть действие гравитационного поля Земли (планеты) на тело массой m, а ускорение свободного падения тела на высоте h. В безвоздушном пространстве оно одинаково для всех тел и зависит только от массы (М₃) и радиуса планеты (R₃). Взаимодействие заряженных тел происходит через электромагнитное поле, носителями которого являются фотоны.

Все взаимодействия в макромире подчиняются принципу динамического детерминизма, согласно которому все наблюдаемые в природе явления и процессы причинно обусловлены и однозначно определяются естественными объективными законами.

Пространство и время, в которых происходят эти процессы, при скоростях рассматриваются как абсолютные, независящие от материи и системы отсчета, и не взаимосвязанные между собой.

3.2.1 Концепции пространства и времени

Для описания положения тела в пространстве и скорости его движения используют декартову систему координат, относительно которой положение тела определяется радиусом-вектором , скорость находят как первую производную по времени , а ускорение как вторую производную . Правомерность применения декартовой системы координат при малых скоростях , обусловлена 3^х – мерным, однородным и изотропным пространством нашей части Вселенной. Систему координат и связанные с ней часы называют системой отсчета. При переходе из одной системы отсчета в другую предполагается, что время в них течет одинаково, а скорости тел определяются по принципу относительности Галилея: Например, если пассажир движется по палубе со скоростью v = 5 км/ч в направлении движения корабля, скорость которого v₀ = 10 км/ч, то относительно берега скорость пассажира равна v_Р = 15 км/ч.

При скоростях близких к скорости света ( ), пространство и время, как формы существования материи, перестают быть независимыми от материи, скорости ее движения и друг от друга. Эти взаимосвязи устанавливаются в рамках специальной теории относительности (СТО) и общей теории относительности (ОТО).

Специальная теория относительности (СТО) была создана А. Эйнштейном в 1905 г. Она применима только в инерциальных системах отсчета (ИСО), т.е. системах, движущихся равномерно прямолинейно или покоящихся.

В основе СТО лежат следующие постулаты:

• все физические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета, а законы, описывающие их, инвариантны при переходе от одной системы отсчета к другой;

• скорость движения материи и в виде вещества, и в виде поля предельна и не превышает скорость света в вакууме;

• скорость света м/с является величиной постоянной и не зависит от системы отсчета;

• пространство и время относительны, взаимосвязаны между собой и с движущейся материей.

Эти постулаты были аналитически выражены Лоренцем в виде преобразований координат и времени. Следствием этих преобразований являются:

• лоренцево сокращение длины ; при

• замедление времени ; при

• возрастание массы от скорости при

• правило сложения скоростей .

Из анализа записанных выражений следует:

• при пространство, время и масса перестают зависеть от скорости, а уравнения СТО переходят в уравнения классической механики: ; ; ;

• для любых материальных объектов, в том числе и для света, скорость распространения в пространстве предельна и не может превзойти скорость света в вакууме м/с. Действительно, если с космического корабля, движущегося с предельной скоростью испускается свет, или иной какой-то объект, скорость которого то результирующая скорость все равно останется равной с, так как согласно правилу сложения скоростей

Как следует из преобразований Лоренца при скоростях пространство и время становятся относительными, причем пространство с увеличением скорости сокращается, а время возрастает. Однако пространство и время как формы существования материи, согласно первому постулату Эйнштейна, должны быть инвариантны (неизменны) при переходе от одной системы отсчета к другой. В связи с этим Минковским было предложено рассматривать пространство-время как единый четырехмерный континуум, для описания которого требуется четыре координаты (х, у, z, сt). В такой системе координат пространственно-временной интервал

не изменяется при переходе от одной системы отчета к другой и остается постоянным, т.е. .

Практически все следствия СТО проверены экспериментально. Более того, проектирование и строительство ускорителей элементарных частиц (синхрофазотронов), производится с учетом изменения периода вращения частиц от массы частицы, которая сама зависит от скорости v.

Общая теория относительности (ОТО) рассматривает влияние гравитационной массы, а значит гравитационного поля на свойства пространства-времени. В рамках ОТО было показано, что вблизи больших гравитационных масс (звезды, галактики) происходит искривление пространства и замедление времени, нарушается эвклидова геометрия, сумма углов треугольника перестает быть равной 180⁰. Для таких пространств используется геометрия Римана и Лобачевского. Расчеты, проведенные в рамках ОТО, были подтверждены при наблюдении звездных скоплений, галактик, движения планет нашей системы. Используя расчеты ОТО удалось объяснить смещение перигелия планеты Меркурий при его вращении вокруг Солнца.