Теория

Как понять Общую теорию относительности?

Общую теорию относительности Эйнштейна можно выразить всего в 12 словах:«пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как изгибаться». Но это краткое описание, сделанное физиком Джоном Уилером, скрывает более сложную и глубокую истину. Помимо квантовой теории, общая теория относительности является одним из двух столпов современной физики – нашей рабочей теории гравитации и очень большой теории планет, галактик и Вселенной в целом. Она является продолжением специальной теории относительности Эйнштейна – но настолько массивной, что ему потребовалось 10 лет, с 1905 по 1915 год, чтобы перейти от одной к другой.

Как пишет New Scientist, согласно специальной теории относительности (СТО) движение искривляет пространство и время. ОТО Эйнштейна объединила ее с принципом, отмеченным Галилеем более трех столетий назад: падающие объекты ускоряются с одинаковой скоростью независимо от их массы.

Вслед за Галилеем Исаак Ньютон показал, что это может быть верно только в том случае, если присутствует странное совпадение: инерционная масса, которая количественно определяет сопротивление тела ускорению, всегда должна быть равна гравитационной массе, которая количественно определяет реакцию тела на гравитацию. Нет никакой очевидной причины, почему это должно быть так, но ни один эксперимент никогда не разделял эти две величины.

Точно так же, как он использовал постоянную скорость света для построения специальной теории относительности, Эйнштейн объявил это принципом природы: принципом эквивалентности. Вооружившись этим и новой концепцией пространства и времени как переплетенного «пространства-времени», вы можете построить картину, в которой гравитация является лишь формой ускорения.

Массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя предметы ускоряться по направлению к ним.

Хотя гравитация доминирует в больших космических масштабах и вблизи очень больших масс, таких как планеты или звезды, она на самом деле является самой слабой из четырех известных сил природы – и единственной, не объясненной квантовой теорией. Квантовая теория и общая теория относительности применяются в разных масштабах. Это мешает понять, что происходило в самые ранние моменты Большого взрыва, например, когда Вселенная была очень маленькой, а сила гравитации огромна. В другой ситуации, когда эти силы сталкиваются у горизонта событий черной дыры, возникают неразрешимые парадоксы.

Некоторые физики возлагают надежду на то, что однажды некая «теория всего» сможет объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, хотя такие попытки, как теория струн и теория петлевой квантовой гравитации, до сих пор не принесли никаких результатов. Между тем ОТО Эйнштейна предсказала, что очень плотные скопления массы могут исказить пространство-время настолько, что даже свет не сможет вырваться из него. Теперь мы называем эти объекты «черными дырами», можем фотографировать «горизонт событий», который окружает этих космических монстров, и практически убеждены, что в центре каждой массивной галактики вращается сверхмассивная черная дыра.

Математические уравнения общей теории относительности Эйнштейна, проверенные снова и снова, в настоящее время являются наиболее точным способом предсказания гравитационных взаимодействий, заменив разработанные Исааком Ньютоном за несколько столетий до этого.

Но, возможно, самый большой триумф общей теории относительности наступил в 2015 году, когда были открыты гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, вызванная движением очень массивных объектов. Сигнал о том, что две черные дыры соединились и слились воедино, стал триумфом кропотливой, терпеливой работы, проделанной международной командой исследователей лабораторий LIGO VIRGO. Подробнее о том, как эксперты ищут гравитационные волны сегодня, читайте в увлекательном материале Ильи Хеля. Так или иначе, разработка квантово-физической «версии» общей теории относительности остается постоянной целью современной физики.

Энергия покоя

Наименьшей энергией \( E_0 \) тело обладает в системе отсчета, относительно которой оно покоится. Эта энергия называется энергией покоя:

Энергия покоя является внутренней энергией тела.

В СТО масса системы взаимодействующих тел не равна сумме масс тел, входящих в систему. Разность суммы масс свободных тел и массы системы взаимодействующих тел называется дефектом масс – \( \Delta m \). Дефект масс положителен, если тела притягиваются друг к другу. Изменение собственной энергии системы, т. е. при любых взаимодействиях этих тел внутри нее, равно произведению дефекта масс на квадрат скорости света в вакууме:

Экспериментальное подтверждение связи массы с энергией было получено при сравнении энергии, высвобождающейся при радиоактивном распаде, с разностью масс исходного ядра и конечных продуктов.

Это утверждение имеет разнообразные практические применения, включая использование ядерной энергии. Если масса частицы или системы частиц уменьшилась на \( \Delta m \), то при этом должна выделиться энергия \( \Delta E=\Delta m\cdot c^2 \).

Кинетическая энергия тела (частицы) равна:

Важно!
В классической механике энергия покоя равна нулю

Примечания и сноски[править]

↑ Пример звучания (смотрите подробности в информации о медийном файле Ru-теория.ogg на отдельной странице).
Теория: Originally the word «theory» was used in Greek philosophy; for example, that of Plato. It is related to θεωρός «spectator», θέα thea «a view» + ὁρᾶν horan «to see», literally «looking at a show». See for example dictionary entries at Perseus website. The word has been in use in English since at least the late 16th century.Harper, Douglas. «theory». Online Etymology Dictionary.
Основные понятия научно-исследовательской работы
See for example Hippocrates Praeceptiones, Part 1.
В конце VI века до н. э., Пифагор сделал значительный вклад в развитие философии и религиозных учений, оставаясь уважаемым исследователем и учёным, как в математике, так и в мистике. Одна из самый известных работ «Теорема Пифагора», названа его именем.
Cornford, Francis Macdonald (November 8, 1991). From religion to philosophy: a study in the origins of western speculation. Princeton University Press. ISBN 978-0691020761.
Russell, Bertrand, History of Western Philosophy
Curry, Haskell, Foundations of Mathematical Logic
Советский научно-популярный учебный фильм 2-го творческого объединения 1964 года «Что такое Теория относительности», из фондов Российского Государственного архива кинофотодокументов.
Merriam-Webster.com Merriam-Webster Dictionary: Theory in Science
Curry, Haskell, Foundations of Mathematical Logic
National Academy of Sciences (2005), Science, Evolution, and Creationism, a brochure on the book of the same title.
AAAS Evolution Resources
Пример звучания (смотрите подробности в информации о медийном файле Ru-теории.ogg на отдельной странице).

В. А. Штофф «Моделирование и философия». — М.—Л.: Наука, 1966 г. — 311 с.
В. М. Мостепаненко «Философия и методы научного познания». — Л.: Лениздат, 1972 г. — 263 с.

Индуистская космология

Религия и наука были лучшими врагами, по крайней мере со времен Коперника и Галилея. Возможно, нет места науке, когда мы говорим о религии и наоборот. Однако есть одна религия, космологические верования которой хорошо согласуются с современной моделью Вселенной.

Теории творения в индуистской мифологии широко рассматриваются как одна из самых древних и значимых из всех других религиозных аналогий. На протяжении многих лет выдающиеся физики и космологи, включая Карла Сагана и Нильса Бора, восхищались индуистскими космологическими верованиями за их близкое сходство с временными линиями в стандартной космологической модели Вселенной.

Согласно индуистской мифологии, Вселенная следует бесконечной циклической модели. Это означает, что на смену нашей нынешней Вселенной придет бесконечное количество вселенных. Каждая повторение Вселенной делится на две фазы — «калпа» (или день Брахмы) и «пралая» (ночь Брахмы), и каждая из них длится 4,32 миллиарда лет. Согласно индуистской мифологии, возраст Вселенной (8,64 миллиарда лет) превышает расчетный возраст Солнечной системы.

Философия и научная теория: как они соотносятся?

В научном познании особая, но одновременно и специфическая роль отведена философии. Говорится о том, что ученые, формулируя и осмысливая те или иные теории, поднимаются на уровень не только понимания конкретной научной проблемы, но и осмысления бытия и самой сущности познания. А это, безусловно, философия.

Таким образом, возникает вопрос. Каким образом философия влияет на построение научной теории? Ответ довольно прост, так как эти процессы неразрывно связаны. Философия присутствует в научной теории в виде логических законов, методологии, в виде общей картины мира и ее понимания, мировоззрения ученого и всех фундаментальных научных основ. В таком контексте философия является и источником, и конечной целью построения большинства научных теорий. Даже не научные, а организаторские теории (например – теория управления) не лишены философской основы.

Проверка теории

Как правило, большинство исследователей считает, что стандартным методом проверки теорий является прямая экспериментальная проверка («эксперимент — критерий истины»). Однако часто теорию нельзя проверить прямым экспериментом (например, теорию о возникновении жизни на Земле), либо такая проверка слишком сложна или затратна (макроэкономические и социальные теории), и поэтому теории часто проверяются не прямым экспериментом, а по наличию предсказательной силы — то есть если из неё следуют неизвестные/незамеченные ранее события, и при пристальном наблюдении эти события обнаруживаются, то предсказательная сила присутствует.

На самом деле взаимоотношение «теория — эксперимент» более сложное. Поскольку теория уже отражает объективные явления, ранее проверенные экспериментом, то нельзя делать подобные выводы. В то же время, поскольку теория строится на основе законов логики, то возможны заключения о явлениях, не установленные ранними экспериментами, которые и проверяются практикой. Однако, эти выводы необходимо уже называть гипотезой, объективность которой, то есть перевод этой гипотезы в ранг теории, и подтверждается экспериментом. В этом случае эксперимент не проверяет теорию, а уточняет или расширяет положения этой теории.

Обобщая, прикладная цель науки — предсказывать будущее как в наблюдательном (аналитическом) смысле — описывать ход событий, на который мы не можем повлиять, так и в синтетическом — создание посредством технологии желаемого будущего. Образно говоря, существо теории в том, чтобы связывать воедино «косвенные улики», вынести вердикт прошлым событиям и указать, что будет происходить в будущем при соблюдении определённых условий.

Время не имеет настоящего

Кадр из фильма «Назад в Будущее»

Наиболее распространенные представления о времени связаны с тем, как человеческий вид, то есть мы, его испытываем. Мы пребываем в настоящем моменте. Этот момент проходит, становится прошлым, а будущее становится нашим новым настоящим.

Эта серия временных отрезков продолжается и продолжается без задержек и сбоев. Однако с опорой на теорию относительности предполагает, что мы обитаем в «блок-вселенной», где течения времени вовсе не существует.

С этой точки зрения прошлое, настоящее и будущее являются частью единого, статичного блока «пространства-времени».

Научные теории, которые заставят вас по-новому взглянуть на реальность, наш мир и Вселенную.

Время влияет на каждый аспект нашей жизни. Мы ориентируемся на него, когда просыпаемся, идем на работу, приступаем к еде, ложимся спать. И несмотря на такие, казалось бы, «близкие отношения», вы едва ли ответите: что же такое время?

Тысячелетиями философы и ученые со всего мира строили собственные теории о времени, но лишь единицы из них привели к какому-либо консенсусу. И хотя до сих пор не существует полного общепринятого определения, грубо говоря, время — это единица измерения.

Мы используем его для описания событий или продолжительности между ними. И это определение работает как в повседневной жизни, так и в точных науках, например в математике. В разговорной речи мы часто употребляем обороты «время идет» и «время летит», когда речь идет о поступательном движении жизни. А физики называют этот опыт «стрелой времени».

Onedio

Однако истинная сущность этого явления по сей день остается противоречивой и загадочной. Несмотря на то что физики могут активно использовать единицы времени в своих уравнениях, вопрос «как работает время?» продолжает приводить в недоумение все научное сообщество.

Buzzfeed.com

Действительно, за пределами поверхностных слоев времени здравый смысл и интуитивные идеи подвергаются сомнению, что затрудняет разговор о существовании, без упоминания о чем-то более метафизическом. В результате загадка времени фактически заставила некоторых философов и ученых переосмыслить всю модель нашей Вселенной.

Сегодня наша редакция решила рассказать вам о 14 научных теориях о времени, которые ставят под сомнение наше собственное восприятие реальности.

Эмпирический уровень познания

На эмпирическом уровне познания используются методы:

Наблюдение. Бывает прямым и косвенным. Прямое наблюдение проводится при помощи органов чувств. Например, вы собственными глазами увидели неизвестную науке ящерицу. Косвенное наблюдение осуществляют при помощи технических средств. Вот радиотелескоп уловил странные сигналы из космоса.
Измерение. Позволяет исследовать физические параметры изучаемого объекта. Приложили линейку к центру окружности, теперь знаем, что фигура не просто «большая», а диаметром (что это такое?) в 30 сантиметров.
Сравнение. Определение общих черт и различий между несколькими предметами.
Эксперимент. При наблюдении ученый не вмешивается в работу предмета изучения. А вот экспериментатор подвергает объект различным воздействиям, чтобы выяснить реакцию, определить ранее неизвестные свойства.

Проверка теории

Проверяемость теорий[править]

На самом деле взаимоотношение «теория — эксперимент» более сложное. Поскольку теория уже отражает объективные явления, ранее проверенные экспериментом, то нельзя делать подобные выводы. В то же время, поскольку теория строится на основе законов логики, то возможны заключения о явлениях, не установленные ранними экспериментами, которые и проверяются практикой. Однако, эти выводы необходимо уже называть гипотезой, объективность которой, то есть перевод этой гипотезы в ранг теории, и подтверждается экспериментом. В этом случае эксперимент не проверяет теорию, а уточняет или расширяет положения этой теории.

Развитие теории

При появлении более общей, более точной теории старая теория становится частью или элементом этой общей теории. Например, классическая механика Ньютона является предельным приближением более общих теорий: квантовой и релятивистской механики, а геометрия Евклида вместе с гиперболической геометрией Лобачевского и эллиптической геометрией Римана являются частными случаями более общей Римановой геометрии.

В математической логике есть чёткое определение теории (см. Дедуктивная теория, Теория Молнията).

Теории могут носить как общефилософский, так и частный, применимый для определённой отрасли знания, характер. Примерами последних могут служить:

Теория «Смысл Текст» в лингвистике
Теория r-K отбора в экологии

Теория и эксперимент

Самым важным методом эмпирического подтверждения теории является эксперимент, который обязательно должен включать измерение и наблюдение, а также множество других методов воздействия на изучаемый объект или группу объектов.

Эксперимент – это определенное материальное воздействие на изучаемый объект или на условия, которые его окружают, которые производятся с целью дальнейшего изучения данного объекта. Теория — это то, что предшествует эксперименту.

В научном эксперименте принято выделять несколько элементов;

конечная цель проведения эксперимента;
объект, который будет изучаться;
условия, в которых находится данный объект;
средства для поведения эксперимента;
материальное воздействие на изучаемый объект.

С помощью каждого отдельно взятого элемента можно построить классификацию экспериментов. Согласно этому утверждению, можно различать физические, биологические, химические эксперименты, в зависимости от объекта, на котором он проводится. Также классифицировать эксперименты можно по целям, которые преследуются при их проведении.

Цель эксперимента представляет собой обнаружение и осмысление каких-нибудь закономерностей или фактов. Такой вид экспериментов называется поисковым. Результатом данного опыта можно считать расширение данных об исследуемом объекте. Но в большинстве случаев такой эксперимент проводится для подтверждения отдельной гипотезы или основы теории. Такой вид эксперимента называется проверочным. Как известно, довольно четкой линии между этими двумя видами провести нельзя. Один и тот же опыт может быть поставлен в рамках двух видов эксперимента, либо с помощью одного можно узнать данные, которые характерны для другого. Современная наука и основана на этих двух принципах.

Эксперимент — это всегда своеобразный вопрос природе. Но он всегда должен быть осмысленным и основываться на предварительном знании, чтобы получить достойный ответ. Именно это знание и дает теория, именно она ставит вопросы. Первоначально теория существует в виде абстрактных, идеализированных объектов, а затем идет процесс ее проверки на достоверность.

Таким образом, мы рассмотрели значение слова «теория», ее типологии, смежные связи с науками и практикой. Можно смело утверждать, что нет ничего практичнее хорошей теории.

См. также

Концепция
Теория (логика)
Дедуктивная теория
Фальсифицируемость
Модель
Абстракция
Теоры
Объяснительная сила теории

Время — это измерение

Мы все понимаем основную концепцию трехмерного пространства. Технически это значит, что каждая точка в нашей Вселенной имеет физический адрес, который можно определить по координате вдоль трех перпендикулярных плоскостей (X, Y и Z). Это просто одна из многих интересных вещей о космосе. Но действительно ли точка в пространстве «существует» без времени, в которое это можно сделать?

Нет такого физического закона, который бы требовал, чтобы время было измерением. Однако привела именно к этому утверждению. Называя его четвертым измерением, широкий круг современных ученых признает, что время плавно переплетается с трехмерным пространством в континууме «».

Развитие теории

В математической логике есть чёткое определение теории (см. Дедуктивная теория, Теория Молнията).

Теория «Смысл Текст» в лингвистике
Теория r-K отбора в экологии

Дедуктивные теоретические системы

Третий тип научных теорий – это дедуктивные теоретические системы. Они появились благодаря задаче рационально осмыслить и обосновать математику. Первой дедуктивной теорией принято считать геометрию Евклида, которая строилась при помощи аксиоматического метода. Дедуктивные теории строятся на основании формулировки основных положений и последующем включении в теорию тех утверждений, которые могут быть получены в результате логических выводов от исходных положений. Все логические выводы и средства, которые используются в теории, четко фиксируются, чтобы сформировать доказательную базу.

Как правило, дедуктивные теории очень общие и абстрактные, поэтому довольно часто возникает вопрос об их интерпретации. Ярким примером может являться теория естественного права. Это теория, которая не поддается однозначной оценке, поэтому ее по-разному интерпретируют.

Что такое теория?

Это понятие образовалось от греческого слова theoria — рассмотрение, исследование.

Теория не может состоять из одного-единственного умозаключения. Теоретические методы исследования похожи на сборку гигантского конструктора Лего.

Вот есть красные кубики — это аксиомы, они пойдут в качестве фундамента. Аксиомы — утверждения, которые принимаются за истину без доказательств. На них поставим желтые стены — это гипотезы. А вот их нужно доказывать.

Будем проверять эти гипотезы на устойчивость, шатая стены. Некоторые рухнут, тогда будем выстраивать новые, пока не получится устойчивая конструкция. Сверху навесим башенки — отдельные понятия, законы.

А все вместе — это теория, где элементы упорядочены. Где умозаключения не взяты с потолка, а получены на основе правил логического вывода.

Более подробно на эту тему смотрите в этом видео:

https://youtube.com/watch?v=xQm84ysgov8%2520

Математические теории

Математические научные теории составляют второй тип теорий в данной классификации. Их характерной особенностью является использование математического аппарата и математических моделей. В таких теориях создается специальная математическая модель, которая представляет собой некий идеальный объект, способный заменить собой объект реальный. Ярким примером данного типа являются логические теории, теории физики элементарных частиц, теория управления и множество других. Как правило, они основываются на аксиоматическом методе. То есть на выводе основных положений теории из нескольких базовых аксиом. Основополагающие аксиомы обязательно должны отвечать критериям объективности и не противоречить друг другу.

Время — это иллюзия

Возможно, вы когда-нибудь слышали от вашего учителя физики, преподавателя естественных наук или энергичного гостя на «модном» официальном приеме, что время нереально. И хотя это утверждение по своей природе необязательно неверно, основной принцип, который лежит в его основе (и порой называется B-теорией времени), .

Говоря более конкретно, наш опыт времени (прошлого, настоящего и будущего) больше связан с нашими собственными субъективными ощущениями, чем с какой-либо фундаментальной особенностью существования.

Большинство современных физиков поддерживают эту точку зрения, утверждая, что время, которое мы воспринимаем нашим человеческим разумом на местном уровне, значительно отличается от изначального поведения времени в масштабе Вселенной.

Развитие теории

В математической логике есть чёткое определение теории (см. Дедуктивная теория, Теория Молнията).

Теория «Смысл Текст» в лингвистике
Теория r-K отбора в экологии

Про понятия

Понятия – это абстрактные слова, которым даны конкретные определения, позволяющие договориться о значении терминов в том числе и в науке. Однако одних слов недостаточно, чтобы что-то объяснить. Нам нужно знать не только значение слов, но и почему и как они соотносятся друг с другом. Другими словами, нам нужно объединить наши понятия в последовательные обобщения, которые указывают на связь между двумя или более понятиями. Например, “разделение труда порождает специализацию“ и “специализация порождает экспертизу”. Эти два теоретических обобщения указывают на связь между двумя понятиями, и вместе они дают объяснение того, как теория в науке может быть развита.

Короче говоря, теории дают объяснения; они дают последовательную и связанную историю о том, почему происходят действия, события и поведение.

Время повторяется

youtube.com

Фраза «Время — это плоский круг», которая обрела особую популярность благодаря персонажу Мэттью МакКонахи из «Настоящего детектива», своим происхождением обязана ницшеанской философии. Однако Фридрих Ницше не высказывал идеи о постоянно повторяющихся жизни и существовании.

Обнаруженная во многих мировых религиозных текстах, концепция вечного возвращения является популярной и древней по своему существу.

Подобно цикличной теории Вселенной, приверженцы вечного возвращения предполагают, что каждый момент бытия может повториться бесконечное число раз, поскольку его время бесконечно, а число элементов ограничено.

Хотя научных доказательств такой идеи недостаточно, некоторые ученые считают, что в достаточно большой вселенной с ограниченным числом возможностей точные молекулярные конфигурации и даже точные моменты все же могут повторяться.

Стационарная Вселенная

Стационарная модель утверждает, что наблюдаемая Вселенная остается неизменной в любом месте и в любое время. Во Вселенной, которая вечно расширяется, материя непрерывно создается, чтобы заполнить пространство.

Согласно модели, галактики и другие крупные астрономические тела рядом с нами должны казаться похожими на те, что находятся далеко. Однако Большой взрыв говорит нам, что далекие галактики должны выглядеть моложе, чем находящиеся в непосредственной близости (при наблюдении с Земли), поскольку свету требуется гораздо больше времени, чтобы добраться до нас.

Идея стационарного состояния была впервые предложена в 1948 году космологами Германом Бонди, Фредом Хойлом и Томасом Голдом. Она исходила из совершенного космологического принципа, который сам по себе утверждает, что Вселенная, где бы ты ни смотрел, одинакова, и она всегда будет одинаковой.

Теория стационарных состояний получила широкую популярность в начале и середине XX века. Однако к 1960-м годам она была в основном отвергнута научным сообществом в пользу Большого взрыва после открытия космического микроволнового фона.