Многомерные пространства и физика

негосударственное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кузбасский ИНСТИТУТ экономики и права»

экономический факультет

Кафедра ГУМАНИТАРНЫХ ДИСЦИПЛИН

Контрольная работа

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Тема № 57:  Многомерные пространства и физика

                                                                Выполнил:

                                                                            студентка 1 курса

                                                                Проверил:                                                                               

                                                                                ________________

Кемерово 2009

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение……………………………………………………………………..2стр.

1. О многомерности пространства………………………………………3стр.

2. Пространства и временя, мультиверс, гравитация………………3стр.

3. Многомерные пространства микромира…………………………..11стр.

4. Многомерные пространства Вселенной………………………….14стр.

Вывод……………………………………………………………………..16стр.

Список использованной литературы………………………………..18стр.

Введение

Пространство — понятие, используемое (непосредственно или в составе сложных терминов) в естественных языках, а также в таких разделах знания, как философия, математика, физика и т. п. На уровне повседневного восприятия пространство интуитивно понимается как арена действий, общий контейнер для рассматриваемых объектов, сущность некоторой системы. С геометрической точки зрения, термин «пространство» без дополнительных уточнений обычно обозначает трёхмерное евклидово пространство.

В физике пространством называют ту «арену действий», на которой разворачиваются физические процессы и явления и которую мы субъективно ощущаем как «вместилище предметов». В физике часто используются многомерные пространства — например, фазовое пространство, в котором состояние сложной системы объектов представляется одной точкой. Такие пространства — не более чем абстракции, предназначенные для постановки и решения вполне «земных» задач в обыкновенном трёхмерном пространстве.

В теории относительности пространство оказывается одним из проявлений единого пространства-времени, и деление отдельно на пространство и время становится зависящим от конкретной системы отсчёта. В большинстве разделов физики сами свойства физического пространства (размерность, неограниченность и т. п.) никак не зависят от присутствия или отсутствия материальных тел. В общей теории относительности оказывается, что материальные тела модифицируют свойства пространства, а точнее, пространства-времени, «искривляют» пространство-время.

Многомерное пространство — пространство, имеющее число измерений (Размерность) более трёх. Обычное евклидово пространство, изучаемое в элементарной геометрии, трёхмерно; плоскости двумерны, прямые одномерны. Возникновение понятия многомерное пространство связано с процессом обобщения. Многомерное пространство — Старшие размерности или пространства старших размерностей термин, используемый в топологии многообразий для многообразий размерности.

1.О многомерности пространства

Согласно теории относительности, пространство и время изменяются не сами по себе, а в неразрывной связи друг с другом. Эта связь настолько тесна, что они образуют здесь неразрывное целое, и время приобретает как бы роль четвертого измерения в дополнении к трем измерениям пространства (длина, ширина, высота). Сам А.Эйнштейн говорил, что его удивляет та настороженность, с которой порой относятся к четырехмерному пространству, хотя оно говорит всего лишь о том, что тело с такими-то и такими-то тремя пространственными координатами находилось там именно в данный момент времени (четвертое измерение).

Но существует и многомерное пространство Гильберта. Оно призвано отразить наличие у исследуемого объекта каких-либо совсем не пространственных свойств, которые только выражаются как "пространственно-подобные" с помощью различных математических операций. Так, если к трем привычным пространственным координатам объекта добавляются еще три координаты, выражающие, например, три компонента импульса этого же объекта, то для обозначения совокупности всех этих данных говорят о шестимерном фазовом пространстве, хотя собственно пространственных координат здесь, как обычно, три. Фазовое пространство — в классической механике и статистической физике, многомерное пространство, на осях которого откладываются значения обобщённых координат и импульсов всех частиц системы с N степенями свободы.; таким образом, размерность фазовое пространство равна удвоенному числу 2N. Понятие шестимерного фазового пространства, таким образом, есть математическая абстракция, оно не претендует на замену занятия трехмерного пространства. Многомерное пространство в прямом смысле этого слова.

Использование метода многомерности пространства является одним из приемов квантовой физики, вынужденной описывать "недоступные" чувственному восприятию. Многомерные пространства являются правомерной научной абстракцией, имеющей и физический, и математический смысл. Здесь нет ничего сверхъестественного или бессодержательного.

Различные идеалистические трактовки многомерного пространства, например, теологов, помещающих в эти "сверхреальные" пятые, шестые и др. измерения каких-то духов или прямо идеальную субстанцию, принадлежат идеалистам, спекулирующим на достижениях естествознания.

2. Пространства и временя, мультиверс, гравитация

Обычно факт трехмерности пространства и одномерности времени физического мира, в котором мы живем, постулируется. Каким образом можно объяснить четырехмерность пространства-времени? При этом для ответа на вопрос нужно найти теорию из физики микромира, в которой постулируемые классические представления о пространстве и времени возникали бы как вторичные для описания макроявлений.

Сложились два подхода к решению проблемы размерности :

1) изучение особенностей четырехмерной физической теории по сравнению с предполагаемыми теориями, использующими многообразия иной размерности, отличной от четырехмерной (А.Эддингтон, П. Эренфест, А. Эйнштейн и их последователи).

2) построение теорий, соответствующих физическим взаимодействиям: электромагнитному, слабому, сильному, гравитационному - на основе размерности больше четырех (Т.Калуца, О.Клейн и их последователи).

В развитии первого подхода ставилась задача: во-первых, выбрать закон или фактор, который может претендовать на фундаментальность в мире в пространстве-времени четырех измерений, и, во-вторых, исследовать, зависит ли он от размерности многообразия. В итоге была получена картина уникальности нашего мира во многих отношениях. Был получен длинный список особенностей четырехмерного мира. Так, например, только в условиях пространства-времени четырех измерений (и меньше) устойчивы атомы. Это направление исследований развивается, и пока не найдено достаточных оснований для замены постулата о четырех мерности каким-либо другим.

Во втором подходе, прежде всего, начала развиваться единая пятимерная теория гравитации и электромагнитного, а затем и других полей. Сложилось иное, чем в первом случае направление мысли, и возникли иные вопросы, такие как: что кроется за проявлениями пятимерности физического пространства-времени, как совместить пятимерные теории с особенностями четырехмерного пространства- времени, что кроется за следующими измерениями, на каком числе измерений следует остановиться, существует ли предел числу измерений. Начали интенсивно развиваться теории с увеличивающейся размерностью. При этом, конечно, возникали и новые проблемы. С проблемой размерности оказались связанными фундаментальные проблемы физики: объединение гравитационных взаимодействий с электромагнитными, слабыми, сильными и ряд других. Для объединения четырех видов физических взаимодействий, считается, достаточно семи или восьми измерений. История многомерных теорий поля далеко не закончена.

Появление представлений о многомерных пространствах является важной вехой в развитии учения о структуре пространства и времени в физике. До сих пор не сформулировано достаточных оснований для того, чтобы обязательно мыслить физические объекты в отношениях, соответствующих четырехмерному пространству.

Идею о квантовании пространства-времени развивал Р.Пенроуз. Он выдвинул твисторную программу, важнейшим моментом которой выступало сомнение в универсальности понятия континуума. Он предлагал при описании квантово-механических явлений отказаться от понятия точки пространства-времени, поскольку из-за принципа неопределенности точка должна размазываться, также, как размазываются частицы в квантовой теории. Он прелагал не простую замену континуума дискретным множеством точек, а нахождение способа отказаться от понятия точки вообще.

Квантовая физика, интерпретируемая с точки зрения множественности миров. Имеется спектр исследовательских программ. Одни из них по-прежнему, т.е. как это характерно для классической физики, развивают физику пространства и времени: физика пространства и времени выступает как центр и фундамент теоретических построений. Другие исследовательские программы переносят центр тяжести с пространства-времени на иные характеристики физического мира. Так, в интерпретации квантовой физики с точки зрения множественности миров физической реальностью является не пространство-время, а мультивер.

Идея времени в квантовой физике, интерпретируемой с точки зрения множественности миров. Для того чтобы понять эту идею, нужно вспомнить о том, что в классической физике время не течет. Все упорядочение физических событий дано вне потока времени, в некоторое “сейчас, настоящее, теперь”. Причем безразлично, не имеет значения, каково это конкретное “сейчас”, и принципы его выделения не формулируются.

Пространство-время иногда называют вселенной, связанной в единый блок, застывшей вселенной, потому что вся физическая реальность - прошлое, настоящее и будущее – раз и навсегда представлена неизменной в одном четырехмерном блоке. По отношению к пространству-времени ничто не движется. То, что мы называем моментами, - это определенные слои пространства-времени. Когда содержание этих слоев отличается друг от друга, говорят, что имеем место изменение, движение в пространстве. В физике пространства-времени, которой является вся доквантовая физика, начиная с физики Ньютона, будущее не открыто. Оно находится здесь же с определенным и неизменным содержанием, так же как прошлое и настоящее.

Реальная квантовая теория, которая была бы и квантовой теорией гравитации, так и не построена пока, хотя была целью и предметом напряженных творческих усилий в течение нескольких десятилетий. Но вместе с тем уже давно стало понятным, что, несмотря на детерминистический характер законов квантовой физики, аналогичный в этом отношении законам классической физики, эти законы не разделяют реальность на отдельные пространства-времена, каждый из которых полностью определял бы все остальные. Другими словами, хотелось бы сконструировать в чем-то иное пространство-время. Предлагается понимать физическую реальность как мультиверс. Не пространство-время, а весь мультиверс физически реален. Ничто больше не реально. Физическая реальность – это не пространство-время, а гораздо более многообразная категория, мультиверс. Образно говоря, мультиверс подобен огромному количеству сосуществующих пространств-времен, которые законами квантовой физики связаны таким образом, что невозможно упорядочить их обычным временным порядком. Способ соединения вселенных, о котором говорит квантовая теория таков, что не существует возможности разграничить образы других времен (таких как завтра, послезавтра, через сто лет…) и образы других вселенных. Другие времена являются лишь особыми представителями других вселенных. Различие, которое мы традиционно делали между другими временами и другими вселенными, носило всегда абсолютный характер. В свете данной интерпретации квантовой механики такое различие делать не обязательно.