Однородность и изотропность пространства | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Загрузка…

Тема:

Принцип относительности

Раздел:

Пространство в физике‎

Однородность пространства означает, что все точки его эквивалентны (неразличимы). В частности, если некоторая замкнутая система (устройство, изолированное от влияния остального мира) функционирует определенным образом в данном месте, то при параллельном переносе ее в другое место она будет функционировать точно так же. Изотропность пространства означает, что все направле­ния в пространстве эквивалентны. В частности, если в дан­ном месте изменить ориентацию некоторой замкнутой си­стемы как целого, то ее функционирование не изменится.

И наконец, утверждение относительно однородности вре­мени означает, что все моменты времени эквивалентны. Ес­ли некоторая система сейчас функционирует определен­ным образом, то и через тысячу лет при прочих равных условиях она будет функционировать точно так же. Подчеркнем, что речь идет не о свойствах абстрактного про­странства и времени, а о наблюдаемых свойствах простран­ства и времени в конкретной, реализованной в виде кубиче­ской решетки из твердых стержней системе, в узлах которой размещены одинаковые часы. Утверждение

«Су­ществует инерциальная система отсчета» означает, что та­кая конструкция, обладающая описанными выше свойства­ми, в принципе возможна.

Возможна ли? Откуда следует существование инерциальных систем отсчета? Законы природы не выводятся логиче­ски. Они обнаруживаются и формулируются в рамках оп­ределенной физической теории. Исходным пунктом ньютоновской механики был постулат о существовании инерциальных систем отсчета, для которых и формулировались законы механики. Появившаяся позже теория элек­тромагнитного поля основывалась на этом постулате.

Спе­циальная теория относительности Эйнштейна, в рамках которой обнаружились и получили объяснение неожидан­ные свойства пространства и времени в инерциальных сис­темах отсчета, завершила эту линию развития. Ничто, кро­ме гравитации, не противоречило принятию постулата об инерциальных системах. Теорию гравитационного поля не удалось привести в соответствие с этим постулатом. Обна­ружилось, что глобальных (неограниченных размеров) инерциальных систем не существует. Но локальную (огра­ниченных размеров) систему отсчета, обладающую нуж­ными свойствами, с любой указанной наперед точностью построить можно. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Загрузка…

Помещение, в котором сейчас находитесь (или будете находиться через некоторое время), может являться системой отсче­та. Инерциальна ли эта система? Иначе говоря, однородно ли и изотроп­но пространство в преде­лах этой системы и одно­родно ли время? Ответ: нет. Пространство, и это очевидно, не изотропно. И читатель ощущает это непосредственно, по­скольку с закрытыми гла­зами может определить ориентацию своего тела в пространстве. Менее оче­видно, что пространство неоднородно. Часы на по­лу и потолке вашей ком­наты идут в разном тем­пе, что можно заметить. И причину этого можно было бы искать во внеш­нем поле. Действительно, например, стрелка компа­са также ориентируется определенным образом, но ее ориентация не свя­зывается со свойствами пространства, а свиде­тельствует о наличии магнитного поля. Выде­ленное направление (

вер­тикаль) можно связать с гравитационным полем (так и делается в ньюто­новской теории гравита­ции). Но гравитационное поле отличается от элек­тромагнитного (а других дальнодействующих по­лей физика не знает) тем, что оно действует одина­ковым образом на все без исключения тела и от не­го нельзя заэкранироваться. В современной те­ории гравитации эта система отсчета считает­ся неинерциальной, с чем и связаны отмеченные эффекты.

На этой странице материал по темам:

• Однородность и изотропность пространства это в физике

• Однородность пространства изотропность пространства

• Пространство однородно и изотропно

• Однородность физика

• Физика однородность пространства

Материал с сайта http://WorldOfSchool.ru

Пространство и время

1.Трехмерность пространства;

2. Однородность и изотропность  пространства;

3. Длительность, необратимость, одномерность и вечность времени;

Трехмерность  пространства

Вопрос о том, почему наше пространство трехмерно, можно  обсуждать:

   1) с позиций  теологии;

   2) с позиций  научно-материальных, основываясь на  фундаментальных физических теориях.

   С первой, то  есть ненаучной, точки зрения, трехмерный мир — самый совершенный из всех миров.

   Рассмотрим вторую  точку зрения. Трехмерность является  общим свойством пространства, обнаруживаемым  на всех известных структурных уровнях. Все материальные процессы и измерения реализуются в пространстве трех измерений. Трехмерность пространства органически связана со структурностью систем и их движением.

   В одномерном (линия)  или двухмерном (плоскость) пространствах  не могли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов. Не известно каких-либо форм движения и взаимодействия, которые требовали бы четырех- или пятимерного пространства. Возможность таких процессов и взаимодействий не вытекает ни из каких установленных законов природы.

Трехмерность пространства имеет место и в микропроцессах (электромагнитная волна имеет три  координаты). Обнаружена трехмерность внутреннего пространства микрообъектов, их взаимопревращений.

   Реальное пространство  как атрибут материи в его  отмеченном выше содержании всегда  остается трехмерным. Любые сколь  угодно сложные явления можно  отобразить пространством трех измерений и одной временной координатой, но с изменением способа описания.

Но если представить, например, горизонтальную плоскость, пересекающую вершину дерева параллельно земле, то на этой плоскости разрезы ветвей покажутся отдельными и совершенно не связанными друг с другом. А в нашем пространстве — это разрез ветвей одного дерева, составляющих вместе одну вершину, питающихся от одного корня, имеющих одну тень. Так, может быть, трехмерные тела нашего пространства есть изображения в нашей сфере непостижимых для нас четырехмерных тел? Или, может, всевозможные аномальные явления — это “следы”, оставленные в нашем трехмерном пространстве обитателями четырехмерного?

Мы ведь уже привыкли к понятию “четвертое измерение”, или просто “иное измерение”, откуда в наш скромный трехмерный мир иногда “вылезают” всякие “нечисти”, включая “пришельцев” всех мастей, с одной стороны, а с другой исчезают, чаще всего безвозвратно, люди, корабли, самолеты.

   История поиска  “иных” измерений полна драматизма, имеет своих пророков и своих злых гениев. Пути науки странны и непредсказуемы, и то, что было отвергнуто в начале века как научное направление, вдруг вызвало пристальный интерес в конце века. Историю любого научного направления следует начинать с его корней. Первые намеки на существование “иных” пространств можно найти еще в работах Джордано Бруно. Но лишь в середине XIX в. физики и математики впервые робко поставили вопрос о возможности существования иных, более высоких измерений. Наиболее просто эта задача решалась математически, и первым вынес ее на обсуждение один из создателей новых неевклидовых геометрий Б. Риман в своей работе “О гипотезах, лежащих в основе геометрий”, посвященной, в частности, n-кратно протяженным величинам. Почти в то же время эта проблема стала задевать и физиков, и одним из первых ее коснулся Э. Мах: “Находясь еще под влиянием атомистической теории, я попытался однажды объяснить спектральные линии газов.

.. Затруднения, с которыми я столкнулся при этом, навели меня в 1863 г. на мысль, что нечувствительные вещи не должны быть обязательно представляемы в нашем чувствительном пространстве трех измерений”.

   Теория относительности  Эйнштейна, появившаяся в 

начале XX в., тогда дала громадный простор  для развития физических идей, даже самых экстравагантных. Эйнштейн был одним из первых, кто покусился на незыблемые до сих пор понятия пространства и времени, показал их зависимость в специальной теории относительности (СТО, 1905 г.) от системы отсчета, скорости движения, а затем в общей теории относительности (ОТО, 1916 г.) — от напряженности гравитационного поля.

   Позднее многие  ученые стали задумываться над  вопросом, почему у нашего пространства  именно три измерения или, другими  словами, какие особенности отличают  геометрию и физику в трехмерном  пространстве от геометрии и физики в многомерных пространствах?

   В 1917 г.  на  основе ОТО Эйнштейн создал  стационарную замкнутую сферическую  модель Вселенной. Характерной  чертой этой модели была конечность  пространства, хотя, с точки зрения  внутренней геометрии, пространство представляется тогда неограниченным. Никакого противоречия в этом нет. Например, поверхность надувного шарика, с нашей точки зрения, является конечной, а с точки зрения мухи, ползающей по ее внутренней поверхности, она будет неограниченной.

   Однако при решении стандартных уравнений возникли определенные трудности. Для получения статистических решений Эйнштейн вынужден был ввести некий коэффициент, так называемый космологический член Я. Уравнения, выведенные Эйнштейном, интересны тем, что дают три варианта решения и соответственно три модели как Вселенной, так и пространства. 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 годы жизни  Эйнштейна и после многие ученые  выдвигали идеи и представляли  теории, связанные с n-мерностью  пространства. То, что не удалось  когда-то Эйнштейну, довольно  успешно решается плеядой современных  теоретиков, многие из которых уже стали лауреатами Нобелевских премий. Это А. Салаш, С. Вайнберг, Ш. Глэшоу. 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 приобретает элегантность и открывает широкие перспективы. В возвращенной к жизни теории 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.

   Науке известны  четыре фундаментальных взаимодействия  в природе:

   — электромагнитное  и гравитационное в масштабах  макромира;

   — слабое и сильное  в масштабах микромира.

   Однако в последние  годы в научных трудах обсуждается  возможность существования еще  одного дистанционного взаимодействия  в макромире — спинового, или  торсионного, фиксирующего и передающего  информацию посредством торсионного  поля. Физическая природа этого пятого взаимодействия, по-видимому, совершенно иная, чем у остальных четырех взаимодействий, так как передача информации здесь осуществляется вроде бы без затрат энергии.

   Современные работы  Дж. Уиллера, А. Пероуза, К. Прибрама, П. Дэвиса позволяют наличие этого пятого фундаментального взаимодействия в природе — спинторсионного взаимодействия. Связанные с ним поля (поля кручения) обладают способностью почти безэнергетически передавать информацию в любую часть Вселенной, а также обеспечивают “голографичность” информационных связей во Вселенной.

   Соответственно  изложенной парадигме вполне  объяснимым становятся практически  все явления, связанные с сенсорным  восприятием феноменов и биоэнергетическим  (точнее биоинформационным) воздействием целителей. Поэтому есть все основания считать, что торсионные поля ответственны за парапсихические феномены.

   В наше время  эта область деятельности перестала  быть экзотической. Сейчас в нее  вовлечены многие организации,  предприятия, научно-исследовательские институты. Организовано производство синтетических противотор-сионных экранов из пленок для продажи населению, которые можно использовать в качестве защиты от геопатогенных излучений, излучений ЭВМ, компьютеров, телевизионных приемников и других радиоэлектронных приборов. Создаются новые конструкционные материалы с уникальными свойствами. Например, учеными России и Украины создана сталь в два раза прочнее и в шесть раз пластичнее, чем обычная. Разрабатываются самые различные типы датчиков, реагирующих на торсионные поля.

   Перспективы использования  торсионных полей грандиозны. Достаточно  упомянуть новые поколения компьютеров  с элементной базой на микроуровне  с поистине невероятными вычислительными  способностями. Открытие пятого  фундаментального взаимодействия перевернет наши представления о природе. Если наш век прошел под знаком электромагнетизма, то следующий будет веком торсионной энергии.

Однородность  и изотропность пространства

Однородность пространства означает отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, а изотропность — равноправность всех возможных направлений. Свойства однородности и изотропности пространства теснейшим образом связаны с фундаментальными физическими законами, и прежде всего с законами сохранения. Они и лежат в основании самого принципа физической относительности.

Длительность  времени

Длительность — это  последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний. Она  предполагает возникновение за каждым данным интервалом последующих. Все  структурные элементы материального мира находятся в непрерывном развитии и движении, то есть являются процессами, имеющими свои этапы. Эти этапы и характеризуются длительностью. Причем стадии, сменяющие одна другую, могут характеризоваться определенной повторяемостью, поэтому для их характеристики необходимо ввести длительность. В теоретическом аспекте длительность предполагает возможность прибавления к каждому моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на более мелкие интервалы.

   Никакой процесс  в природе не происходит сразу, мгновенно. Он длится во времени. Это обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменений состояний. Понятие длительности применимо к отдельным явлениям постольку, поскольку оно рассматривается как звено единой цепи.

   Конкретная длительность  существования материальных систем  от их возникновения до распада,  ритмы процессов в них, соотношение  между циклами изменений, скорость  протекания процессов, темпы развития  и соотношение между темпами  на разных этапах эволюции — все это характеризуется таким специфическим свойством времени, как длительность.

   Аналогично протяженности  пространства, длительность времени  относится к метрическим свойствам.  В мире невозможны процессы без длительности, то есть мгновенные, но протекающие с конечной скоростью.

Одномерность  времени

Из весьма общих свойств  времени следует упомянуть одномерность, проявляющуюся в линейной последовательности событий, генетически связанных  между собой. Если бы время имело  не одно, а несколько, например, два или три измерения, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности, а для каждого человека должны бы были существовать двойники в каждом из параллельных миров.

Необратимость времени

Всеобщим свойством  времени, а точнее, временных отношений  в материальных системах, является необратимость времени, означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает  настоящее и будущее и переходит  в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Настоящее охватывает все те процессы, объекты, системы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. Объекты, существовавшие в прошлом, но перешедшие в другие, последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое нельзя воздействовать физически. Можно только изменить представления о прошлом в сознании реально существующих людей. Понятие настоящего многозначно, так как охватывает различный временной интервал. Для каждого человека настоящее может быть предельно сужено — это сиюминутное, сиюсекундное переживание настоящего момента, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее — к будущему. Но настоящее может быть и расширено, в зависимости от составляющих интервалов и масштабов события до часа, дня, года и даже большего отрезка времени — десятилетия, например, школьные годы, и еще большего — понятия современности в истории.

классическая механика — Объяснение однородности пространства и времени на примерах?

спросил 9 лет, 8 месяцев назад

Изменено 1 год, 3 месяца назад

Просмотрено 18 тысяч раз

$\begingroup$

Читая Ландау и Лифшица, я наткнулся на эти три термина: —

1. однородность пространства.
2. однородность времени.
3. изотропия пространства.

мне было бы очень полезно, если бы кто-нибудь мог объяснить это, приведя примеры.

• классическая механика
• пространство-время
• симметрия
• определение

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Сначала несколько определений:

• Однородность означает, что что-то выглядит одинаково в каждой точке ;
• Изотропия означает, что нечто выглядит одинаково во всех направлениях .

Однородность пространства: Дело не в том, что пространство является особенным, поэтому все пространство должно подчиняться одним и тем же основным законам физики. Например, если электроны отталкиваются друг от друга на Земле, мы не ожидаем, что электроны будут притягиваться друг к другу в Галактике Андромеды. В более общем смысле, если уравнения Максвелла выполняются на Земле, мы также предполагаем, что они выполняются и в остальной части Вселенной.

Однородность времени: Ни один момент времени не является особенным, поэтому все время должны действовать одни и те же основные законы физики. Итак, опять же, если уравнения Максвелла верны сегодня, нет причин ожидать, что завтра эти уравнения вдруг станут недействительными.

Изотропия времени: Никакое направление во времени не является особенным. Один из способов визуализировать это — посмотреть на симуляцию броуновского движения классического газа в равновесии, а затем запустить видео в обратном порядке — частицы ведут себя точно так же!

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Другие ответы верны, но я использую другой подход.

Три упомянутых вами свойства отражают то, что в физике называется симметрией.

Симметрия означает, что что-то остается неизменным при некотором преобразовании.

В нашем случае:

Однородность пространства означает, что Физика не меняется (она симметрична) при перемещении пространства.

Однородность времени означает, что Физика не меняется при переносе времени.

Изотропия времени (вы уверены, что это изотропия времени, а не изотропия пространства, я не припомню, чтобы Ландау упоминал об этом) означает, что Физика не изменится, если вы вернетесь назад во времени (но это если ложь , так как слабое взаимодействие нарушает обращение времени).

Но два эксперимента, по-видимому, могут не подчиняться этим свойствам.

Например, вы измеряете период маятника на Земле. Если вы отправитесь на Луну, она изменится (вы сможете отличить, где вы находитесь). Означает ли это, что пространство неоднородно? Нет, это означает, что вы должны учитывать влияние гравитации. Так что вам придется переместить систему Земля-Луна. Конечно, вы не можете двигать все во Вселенной, потому что тогда получается чистая тавтология.

Итак, когда вы проводите трансформацию, вам приходится прилагать дополнительные усилия и переставлять некоторые части эксперимента.

В заключение, важная теорема (теорема Нётер), которая гласит:

Для каждой симметрии является сохраняющейся величиной.

Вы можете доказать, что однородность пространства означает сохранение импульса , а однородность времени означает сохранение энергии .

$\endgroup$

0

$\begingroup$

Эти утверждения являются ОЧЕНЬ абстрактными результатами того, что называется теоремой Нётер. На простом английском языке это говорит так:

1. Законы физики здесь такие же, как и везде (например, общая теория относительности справедлива во всех точках пространства).
2. Законы физики одинаковы для всех возможных значений временной координаты. F=ma сейчас и, например, в 10 000 000 лет до н.э. и в будущем.
3. Законы физики не зависят от направления времени. Законы работают, если вы запускаете время вперед или назад. Это немного сбивает с толку, так как кажется, что время бежит вперед. До сих пор не до конца решено, почему это так. Смотрите стрелу времени.

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.

общая теория относительности — Что имеется в виду, когда говорят, что Вселенная однородна и изотропна?

$\begingroup$

Иногда говорят, что Вселенная однородна и изотропна. Что означает каждое из этих описаний? Являются ли они взаимоисключающими или одно требует другого? И какие последствия возникают из-за этого?

• общая теория относительности
• космология
• пространство-время
• вселенная
• метрика-тензор

$\endgroup$

$\begingroup$

Однородная космология — это космология, в которой нет «особых» мест во Вселенной: в данный момент времени Вселенная кажется одинаковой в любом месте (в достаточно больших пространственных масштабах).

Изотропная космология — это космология, в которой нет «особых» направлений: в данный момент времени Вселенная кажется одинаковой во всех направлениях (опять же, в достаточно больших пространственных масштабах).

Вместе они составляют космологический принцип.

Как указал Брайан Хупер, эти симметрии (применительно к физическим законам) приводят к сохранению линейного и углового количества движения в результате теоремы Нётер.

Кроме того, космологический принцип важен для физической интерпретации наблюдательных данных, и не только потому, что он является вообще негласным допущением при использовании проверенных на Земле физических законов для моделирования далеких объектов (галактик, квазаров и т. д.) Например, он поддерживает интерпретацию диаграммы Хаббла как результат расширения Вселенной, в отличие от свидетельства того, что Земля (или где-то «рядом») находилась в центре очень большого обычного взрыва. Ведь при обычном взрыве дальше всего летят осколки, имевшие наибольшую скорость, поэтому через некоторое время после взрыва более быстрые осколки оказываются дальше от центра. Если же наблюдатели на всех фрагментах видят одинаковую плотность галактик и соотношение между скоростью и расстоянием во всех направлениях, то эта модель не работает.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Это означает, что законы физики одинаковы везде и во всех направлениях. Это имеет фундаментальное значение, поскольку эти симметрии порождают законы сохранения. Изотропия Вселенной означает, что угловой момент сохраняется; его однородность означает, что импульс сохраняется. Подобная симметрия, согласно которой законы физики остаются неизменными во все времена, дает нам закон сохранения энергии.

Дополнительную информацию см. в Теореме Нётер в Википедии.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Большая часть современной космологии основана на космологическом принципе, который утверждает, что пространственное распределение материи во Вселенной является однородным и изотропным, если рассматривать его в достаточно большом масштабе, чтобы не было никаких наблюдаемых неоднородностей. Исследования крупномасштабной структуры Вселенной и анализ реликтового излучения помогают подтвердить справедливость этого предположения.