Публикации ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: НАНОМИР. МИКРОМИР. МАКРОМИР. МЕГАМИР.

Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.


Скачать публикацию
Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: НАНОМИР. МИКРОМИР. МАКРОМИР. МЕГАМИР.
Автор: Ваилуа Галина Петровна

ЛИСИНСКИЙ ЛЕСНОЙ КОЛЛЕДЖ
преподаватель естествознания:
Ваилуа Галина Петровна
КОНСПЕКТ ЗАНЯТИЯ ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
НАНОМИР. МИКРОМИР. МАКРОМИР. МЕГАМИР.
Цели лекции:
- рассмотреть пространственно-временные характеристики в естественно-научных областях знаний;
- рассмотреть пространство и время в микро-, макро и мегамирах.
Основные понятия изучаемой темы: время, пространство, принцип относительности, специальная теория относительности (СТО), общая теория относительности (ОТО), пространственно-временной континуум.
1. - I ЧАСТЬ - ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
1.1 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ
Эпиграф к теме:
Нет пространства и времени, а есть их единство.
Человек – это часть целого, которое мы называем Вселенной,
часть ограниченная во времени и пространстве.
А. Эйнштейн
Мы настолько привыкли к свойствам окружающего пространства и времени, что даже не задумываемся над значением этих терминов.
Христианский теолог, виднейший представитель западной патристики св. Августин говорил:Что такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время. Если бы я захотел объяснить спрашивающему – нет, не знаю.
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем.
В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности.
Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.
В чем отличие обыденного от научного представления о пространстве и времени?
Для обыденных житейских представлений пространство и время — нечто привычное, известное, очевидное.
Существуют разные направления в окружающем мире – для пространства: верх, низ, вперед, назад, влево, вправо, любой предмет занимает определенное место относительно других объектов и граничит с ними.
Для времени: смена дня и ночи, деление суток - утро, день, вечер, ночь; вчера, сегодня, завтра, час, минута, секунда, неделя, месяц, год.
Но если мы начинаем задумываться, то возникают сложные вопросы, которые ученые напряженно обсуждают во все периоды развития естествознания.
1.2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ МАТЕРИИ
Пространство и время – категории, обозначающие основные фундаментальныеформы существования материи.
Пространствовыражает порядок существования отдельных объектов.
Время– порядок смены явлений и состоянийматерии.
Пространство и время служат также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные.
СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
Пространство и время – общие формы координации материальных объектов и их состояний.
Их всеобщие свойства: объективность пространства и времени; всеобщность пространства и времени
Среди универсальных свойств пространства и времени следует отметить:
Свойства пространства и времени
Свойства пространства
Свойства времени
- трехмерно;
- однородно (равноправие всех его точек);
- изотропно (равноправие всех его направлений).
- одномерно;
- однородно (равноправие всех моментов времени);
- необратимо, неповторяемо.
СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО) – 1905 г.
Альберт Эйнштейн (1879–1955) предложил совершенно новую теорию пространства и времени – специальную теорию относительности (СТО).
Основу теории (СТО) составляют два постулата:
СТО – современное учение о пространстве и времени
Формулировка
Экспериментальное
подтверждение
1 постулат
- все законы природы имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета
в 1961 г. с помощью эффекта Мессбауэра
2 постулат
- свет распространяется в вакууме с определенной скоростьюс, не зависящей от скорости источника
и от скорости приемника светового сигнала
в 1963 г. с помощью скорых подвижных источников гамма – излучение.
Следствиями СТО являются:
- пространство и время существуют как единая четырехмерная структура;
- с увеличением скорости движения тела - время на нем замедляется;
- с увеличением скорости движения тела его линейный размер уменьшается;
- с увеличением скорости движения тела его масса возрастает.
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ОТО) – 1916 г.
В 1916 г. Эйнштейн добавил в СТО положение о поле тяготения. В результате получилась общая теория относительности (ОТО), или обобщенная теория тяготения.
Пространство в понимании общей теории относительности – этоатрибут материи, обусловленный связями и взаимосвязями, расположенных в нём тел.
Свойства пространства и времени - определяются концентрацией и движением материи в пространстве.
ОТО – теория гравитации
Формулировка
Экспериментальное подтверждение
1 постулат
1 принцип - Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи
Вторая половина
ХХ в.
2 постулат
2 принцип - Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения
Вторая половина
ХХ в.
3 постулат
3 принцип - Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений
Вторая половина
ХХ в.
Следствиями ОТО являются:
- искривление луча света в гравитационном поле;
- замедление хода времени в гравитационном поле;
- массы, создающие поле тяготения, искривляют четырехмерное пространство-время вблизи массивных тел.
2. II часть - НАНОМИР. МИКРОМИР. МАКРОМИР. МЕГАМИР
2.1. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ
Три основные сферы материального мира − неживая природа, живое вещество и общество − характеризуются специфическими пространственно-временными структурами.
В неживой природе, представленной возникшими в нашей Метагалактике уровнями организации материи, существуют особенности пространства-времени в мега-, макро- и микромире.
Микромир
Макромир
Мегамир
- мир малых, непосредственно ненаблюдаемых объектов;
- микромир область интересов квантовой физики;
-биологические системы микромира (нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии, клетки);
- мир, окружающих человека, объектов
- структуры макромира: газообразные, жидкие и твердые тела;
- биологические системы макромира (организмы, биогеоценозы, биосфера).
- изучением мегамира занимается астрономия, астрофизика и космология;
- физика мегамира - гравитационные взаимодействия больших масс, масс космического масштаба.
- единицы измерений расстояний в мегамире: а.е. (150 млн. км), световой год (1013км), парсек (3,26 светового года)
Структурные уровни материи
Основные объекты
размеры
Микромир
- частицы элементарные и ядра атомов
- атомы и молекулы
- 10-15 см
- 10-8-10-7 см
Макромир
газообразные, жидкие и твердые тела
в т.ч. человек
- 10-7-107 см
Мегамир
космические системы, Метагалактика
неограниченные масштабы до 1028 см
Наномир
атомы и молекулы
около нанометра
2.2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В МИКРО-, МАКРО И МЕГАМИРАХ
Мир - это бесконечное множество систем различных порядков сложности и все они находятся в движении, взаимной связи и обусловленности. Каждой из них соответствует своявременнаяструктура и вместе с тем мир един, и единство его в материальности.
Материальное единство всех систем Микро-, Макро и Мегамира
Основные объекты
Совокупность взаимосвязанных элементов
Микромир
- частицы элементарные и ядра атомов
- атомы и молекулы
-электрическое взаимодействие;
-ядерные взаимодействие удерживает частицы атомного ядра.
Макромир
-Неживые объекты (песок, камень)
-Живые объекты (растения, животные, человек)
-искусственные (здания, механизмы)
-электромагнитное взаимодействие между атомами;
-химическое взаимодействие между клетками;
-социальные вязи и отношения между людьми;
-функциональные связи между устройствами.
Мегамир
Вселенная, Галактики, Солнечная система, планета Земля
-всемирное тяготение;
-кривизна пространства.
Наномир
атомы и молекулы
-квантово-механическое взаимодействие объединяющая молекулы и атомы.
В современной науке большинство ученых сходятся на мысли, что существует множество различных пространств, как в макромире, так и в микромире, которые взаимодействуют с человеком:
Химические пространственно-временные характеристики описываются с учетом их многоуровневого строения;
Биологические – это Временные ритмы, Биологические часы, развитие зародыша (стадии);
Социальное пространство-время – это полезные ископаемые, водные бассейны, лес, земля, а также становление человеческой деятельности и последовательность различных стадий в историческом развитии
2.3 МНОГОМЕРНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА.
В XX в. было доказано, что свойства пространства и времени не являются раз и навсегда данными и неизменными в физических условиях, отличных от нашей жизни. Они могут претерпевать существенные изменения. Разговоры о возможности пространства большего, чем три числа измерений ведутся постоянно. Подобные мнения навеяны понятием абстрактных многомерных пространств в математике и физике.
В физике понятие многомерности пространства используется в качестве удобного способа описания, когда к трем пространственным координатам добавляется время и ряд других параметров.
При достаточно большом количестве свойств и взаимосвязанных переменных можно прийти к понятию многомерного и даже бесконечного пространства, но это понятие будет носить довольно условный характер.
Пространственно-временной мир Эйнштейна полностью статичен.
Его можно представить как цилиндрический 4-мерный мир с неограниченной осью времени, т.е. по этой модели временное сечение пространственно-временного континуума в отличие от пространственного сечения является бесконечным.
В переводе на общедоступный язык мир Эйнштейна - это 3-мерное физическое пространство, искривленное и замкнутое само на себя благодаря присутствию в нем материи, т.е. 4-мерная сфера (гиперсфера), не имеющая ни начала, ни конца во времени. Искривить же трехмерный мир можно только в пространстве 4- и более высокого порядка измерений. Однозначно подразумевается полная равноправность этого четвертого измерения по отношению к трем существующим.
В пределах современных теорий Великого объединения им удалось собрать в рамках одной концепции три очень разных вида взаимодействий (гравитационные пока остались за бортом), которые могут быть описаны с помощью так называемых калибровочных полей. Основное свойство калибровочных полей состоит в существовании абстрактных симметрий, благодаря которым этот подход открывает широкие перспективы.
Теория Калуцы — Клейна
Симметрии калибровочных полей приобретают конкретность геометрические симметрии, связанные с дополнительными измерениями пространства.
Как и в первоначальном варианте взаимодействия в теории вводятся путем присоединения к пространству-времени дополнительные пространственные измерения.
Однако, так как теперь надо дать пристанище взаимодействиям трех типов, приходится вводить не одно, а несколько дополнительных измерений. Простой расчет количества операций, входящих в теорию Великого объединения, требует дополнительно еще 7 пространственных измерений; если же учесть время, то все пространство-время насчитывает 11 измерений.
Таким образом, современный вариант теории Калуцы — Клейна постулирует 11-мерную Вселенную, 7 пространственных координат которой свернуты и потому принципиально не наблюдаются.
3. ВЫВОДЫ
Пространство и время существуют не сами по себе, а в тесной зависимости от свойств материи.
Пространство и время объективно и не зависит от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).
Пространство и время абсолютно – т.к. проявляются на всех структурных уровнях ее существования.
Пространство и время имеют неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.
Пространство и время бесконечно - невозможно найти место, где отсутствовали бы пространство и время.
Список использованной литературы:
1. studfile.net - Вселенная и космос как объекты научного исследования.
2. studopedia.org - Закономерности самоорганизации в живой и неживой природе.
3. cyberpedia.su - Концепции пространства и времени в естествознании.
4. www.webkursovik.ru - Пространство и время в естествознании.
5. studwork.org - Понятие о микро-, макро- и мегамирах.
6. infourok.ru - Понятие пространства и времени. Четырехмерное пространство" .
7. uchebnik-online.net - Садохин А.П. - Концепции современного естествознания (учебное пособие).
8. www.myunivercity.ru - Современные представления о пространстве и времени.