Тема 3.2. Пространство и время. Теория относительности. Квантовая механика. Причинность. Динамические и статистические законы, 2 часа

Развитие представлений о пространстве и времени. Темпорология. Пространственно-временные характеристики материальных объектов как часть естественнонаучной картины мира. Пространство и время как условия существования физических тел. Обыденное восприятие смены событий, состояний предметов, круговорота процессов. Физические тела и объем. И. Ньютон. Концепция абсолютного пространства и времени. Математическое (истинное) и обыденное (кажущееся) пространство-время. Независимость времени и пространства от любых конкретных процессов. Бог, материя, субстанция. Концепция мирового эфира. Опыт Майкельсона-Морли. Реляционные концепции: Ориген, Лейбниц, Кант, Беркли, Мах, Авенариус. Близкодействие и дальнодействие. Классическая физика и переход к теории относительности.

Теория относительности. Классический принцип относительности Г. Галилея. Понятие точки отсчета. Инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета. Неклассический принцип относительности А. Эйнштейна. Специальная теория относительности (СТО). Расширенное понимание галилеевского принципа относительности. Постулаты Эйнштейна как проявление симметрий пространства и времени. Четырехмерный пространственно-временной континуум. Скорость движения, масса тел и пространство-время. Абсолютность скорости света. Основные релятивистские эффекты (следствия из постулатов Эйнштейна). Соответствие СТО и классической механики. Общая теория относительности (ОТО). Распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета. Неевклидовы геометрии и кривизна пространства. Принцип эквивалентности. Эквивалентность гравитационных полей и массы тел. Кинематические эффекты. Замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Полная остановка времени. «Черные дыры». Инвариантность законов природы во всех системах отсчета (инерциальных и неинерциальных). Соответствие ОТО и классической механики. Эмпирические доказательства ОТО. Теория Эйнштейна и проблема микромира. Квант времени и квант пространства. Переход к квантовой механике.

Основные структуры микромира. Квантовая механика. Формирование квантово-механической теории. Идеи М. Планка. Постоянная Планка. Явления радиоактивного распада и дифракции. Вещество и излучение. Квантово-волновой парадокс. Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи. Вероятность поведения элементарных частиц. Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга». Индивидуальные и статистические законы. Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей. Значение эксперимента для квантовой механики. Физическая реальность микромира. Влияние измерительного прибора и человека на результаты измерения атомных процессов. Относительность объективного описания природы.

Единство и многообразие свойств пространства и времени. Всеобщие свойства пространства и времени: объективность и независимость, абсолютность, неразрывность, прерывность и непрерывность, количественная и качественная бесконечность. Общие свойства пространства: протяженность, связность и неразрывность, трехмерность, метричность и топологичность. Общие свойства времени: длительность, единство прерывности и непрерывности, необратимость, одномерность. Специфические свойства пространства и времени.

Детерминизм и причинность в физике. Природа причинности. Событие. Детерминизм и индетерминизм. Фундаментальные физические законы и причинность.

Динамические законы. Понятие динамического закона и динамической теории. Классическая механика Ньютона. Электродинамика Максвелла. Механика сплошных сред. Термодинамика и общая теория относительности. Механистический детерминизм П. Лапласа. Неуниверсальность динамических законов.

Статистические законы. Понятие статистического закона и статистической теории. Идеи вероятности Максвелла. Вероятностные характеристики систем, их объективный характер. Исследование газовой среды. Вероятность и случайность. Вероятностные законы. Статистические теории как более совершенная форма описания физических закономерностей.

Соотношение динамических и статистических законов. Статистические законы и динамические уравнения классической механики. Статистические законы и микромир. Тезис о первичности статистических законов Н. Бора и В. Гейзенберга. Теория равноправия динамических и статистических законов. Проблема индетерминизма в природе. Принцип соответствия. Динамическая и вероятностная причинность.

Основные термины: темпорология, теория относительности, принцип относительности, анизотропность, изотропность, антивещество, античастицы, аннигиляция, атом, атомное ядро, адроны, барионы, бозоны, физический вакуум, вещество, виртуальность, волновая функция, волны материи, необратимость времени, стрела времени, демон Максвелла, гипероны, дискретность, радиоактивность, глюоны, инерция, инерциальные системы отсчета, ионы, квант, кварк, пространственно-временной континуум, корпускула, корпускулярно-волновой дуализм, изотопы, импульс, лептоны, лестница Вайскопфа (квантовая лестница), мезоны, микрообъект, микрочастица, момент импульса, момент инерции, нейтрино, нейтрон, нуклоны, поезд Эйнштейна, поле, постоянная Планка, преобразование Лоренца, принцип относительности, принцип Паули, принцип эквивалентности, протон, рекомбинация, релятивизм, релятивистский, термоядерный синтез, спин, соотношение неопределенностей, тождественность микрочастиц, уравнение Шрёдингера, фермионы, фотоны, фотоэффект, виртуальные частицы, элементарные частицы, событие, детерминизм, лапласовский детерминизм, закон, научный закон, законы естествознания, законы науки, законы природы, динамические закономерности, статистические закономерности, принцип причинности, причина, причинно-следственная связь, стохастический, экзогенный, дивергенция.

Контрольные вопросы:

1. Чем отличается обыденное восприятие пространства и времени от научного?

2. Какова сущность концепции абсолютного пространства и времени? Кто ее основоположник?

3. Какова сущность реляционного понимания пространства и времени? Кто из великих ученых и философов осуществил наибольший вклад в становление реляционной концепции?

4. Какая из физических проблем вызвала кризис классической концепции пространства и времени?

5. Каково различие между пониманием относительности Г. Галилеем и пониманием относительности А. Эйнштейном?

6. Раскройте основное содержание специальной теории относительности. Что такое релятивистские эффекты?

7. Раскройте основное содержание общей теории относительности. Что такое кинематические эффекты?

8. Какая из физических проблем вызвала трудности неклассической концепции пространства и времени?

9. Что такое квантовая механика? Кто из физиков сыграл основополагающую роль в ее зарождении?

10. Каково значение эксперимента в квантовой механике?

11. Какова физическая реальность микромира?

12. Какую роль играет принцип детерминизма в физике?

13. Как соотносятся фундаментальные физические законы и причинность?

14. Что такое динамический закон? Что такое динамическая теория?

15. Как соотносятся динамические законы и механистический (лапласовский) детерминизм?

16. Почему динамические законы не универсальны?

17. Что такое статистический закон? Что такое статистическая теория?

18. Почему статистические законы более универсальны, чем динамические?

19. Каково соотношение динамических и статистических законов?