5.2. Свойства пространства

Все тела имеют протяженность, занимают определенное место и располагаются определенным образом относительно друг друга. Все это дает живым организмам чувство пространства. Пространство – это порядок взаимного расположения материальных объектов.

Впервые древнегреческий математик Евклид описал пространственную характеристику объектов в строгой математической форме, т.е. он разработал геометрию, которую впоследствии назвали евклидовой геометрией. Евклидовую геометрию изучают школьники во всем мире.

В конце XVII века Ньютон считал, что существуют два типа пространства: абсолютное и относительное Абсолютное пространство остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство – это пространство какого-либо тела, относительно другого тела. Выдающийся русский математик Лобачевский пришел к выводу о том, что понятие "геометрическое пространство" произведено нашим умом искусственно. Пространство само собой не существует отдельно от материи.

В 1905 г. Эйнштейн предложил новую теорию пространства и времени. Эта теория называется «Специальная теория относительности». Согласно этой теории время и пространство объединяются в четырехмерном пространстве-времени.

В 1916 г. Эйнштейн опубликовал «Общую теорию относительности» и показал в ней, что при наличии поля тяготения пространство искривляется и становится неевклидовым. Пространство обладает следующими свойствами: размерность, непрерывность, связанность, ориентируемость, при больших концентрациях масс пространство искривляется, а в черных дырах исчезает, при движениях с большими скоростями пространство сжимается, а при скорости света – исчезает.

Николай Лобачевский в России, Бенхард Риман в Германии и Янош Больяй в Венгрии построили неевклидовую геометрию. В евклидовой геометрии кривизна пространства нулевая, у Римана – положительная, у Лобачевского и Больяя – отрицательная. В геометрии Евклида сумма углов треугольника равна 180⁰, у Римана – она больше, а у Лобачевского – меньше. Новая геометрия оказалась пригодной для больших фигур, и по существу явилась геометрией теории относительности. Геометрия Римана является геометрией на поверхности сферы. По неевклидовой геометрии нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной.

Современная наука может измерять расстояния во Вселенной в интервале 10⁴⁰ м. Наука способна измерять размеры объектов природы, начиная от диаметра ядра атомов (10^-15 м) до границы видимости нашего мира (10²⁵ м).

Расстояние до далеких объектов определяется очень легко, если наблюдать из двух точек. Таким способом древнегреческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский (276-194 до н.э.) точно, определил диаметр Земного шара.

5.3. Однородности пространства и времени и законы сохранения.

Время и пространство являются формами существования материи. Им присущи такие свойства, как относительность, взаимозависимость и бесконечность. В качестве характеристики временных отношений выбирают промежуток времени . Значение не зависит от выбора начала отсчета времени, т.е. она постоянная ∆t=const. В этом проявляется важнейшее свойство времени – его однородность. Это свойство приводит к тому, что всякая изолированная система обладает энергией, которая сохраняется со временем, т.е. обладает законом сохранения: W=const.

Для характеристики пространственных отношений выбирают величины , , . Эти величины не зависят от выбора начала отсчета расстояния. В этом проявляется важнейшее свойство пространства – его однородность. Однородность пространства приводит к тому, что всякая изолированная система обладает импульсом, который сохраняется со временем, т.е. обладает законом сохранения: р const.

При повороте координатных осей величины интервалы углов не меняются. В этом проявляется важнейшее свойство пространства – его изотропность. Изотропность означает физическое равноправие всех направлений в пространстве. Изотропность показывает, что всякая изолированная система обладает моментом импульса, который сохраняется со временем, т.е. обладает законом сохранения: L=const.

Таким образом, с однородностью времени связан закон сохранения энергии. С однородностью пространства связан закон сохранения импульса, а с изотропнотью пространства связан закон сохранения момента импульса. Перечисленные законы сохранения считаются фундаментальными законами, т.к. они связаны со свойствами симметрии времени и пространства. Синонимом симметрии является гармония. Гармония указывает наличие симметрии в природе, акустике и музыке. Зеркальная симметрия была особо почитаема в древнем Востоке, что отражено в орнаментах и скульптурах той эпохи.