Spațiu (fizică)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un sistem de coordonate cartesian tridimensional, dreptaci , folosit pentru a indica pozițiile în spațiu.

Spațiul este entitatea nedefinită și nelimitată care conține toate lucrurile materiale . Acestea, având o extensie, ocupă o parte din ea și își asumă o poziție în spațiu, care este definită cantitativ în conformitate cu principiile geometriei , și calitativ, pe baza relațiilor de proximitate (distanță) și dimensiune (micitate). [1]

Se crede că spațiul fizic real este tridimensional , deși în fizica modernă acest spațiu tridimensional este considerat a face parte dintr-un continuum cu patru dimensiuni numit spațiu-timp , care include și timpul . În matematică pot fi definite ca „ spații ” cu un număr de dimensiuni chiar mai mare de patru și cu structuri complexe subiacente. Observațiile experimentale de până acum confirmă ipoteza unui spațiu tridimensional până la dimensiuni subatomice. Fizica cu energie ridicată și, în special, experimentele la Large Hadron Collider de la CERN , caută posibile manifestări de extra - dimensiuni pe scări subatomice [2] .

Conceptul de spațiu este considerat de o importanță fundamentală pentru înțelegerea universului fizic. Cu toate acestea, există un dezacord permanent între filosofi cu privire la faptul dacă este ea însăși o entitate, o relație între entități sau o parte a unui cadru conceptual.

fundal

Dezbaterile privind natura, esența și modul de existență al spațiului datează din antichitate; și anume, tratate precum Timaeus Platon sau reflecții Socrate asupra a ceea ce grecii au numit khora (adică „spațiu”), sau Fizica Aristotel (Cartea V, Delta) în definiția toposului (adică locație), sau chiar mai târziu „concepție geometrică de loc“ , ca „extensie spațiu qua“ în discursul pe locul (Qawl fi al-Makan), prin secolul al 11 - lea savant arab Alhazen . [3] Multe dintre aceste întrebări filosofice clasice au fost discutate în Renaștere și apoi reformulate în secolul al XVII-lea , în special în timpul dezvoltării timpurii a mecanicii clasice . În viziunea lui Isaac Newton , spațiul era absolut, în sensul că acesta exista permanent și indiferent dacă există sau nu materie . [4]

Alți filozofi naturali , în special Gottfried Leibniz , au crezut că spațiul este de fapt un set de relații între obiecte, date de distanțele și direcțiile lor reciproce. În secolul al XVIII-lea , filosoful și teologul George Berkeley a încercat să infirme „vizibilitatea profunzimii spațiale” în eseul său Către o nouă teorie a viziunii . Mai târziu, metafizicianul Immanuel Kant a afirmat că nici spațiul, nici timpul nu pot fi percepute empiric: sunt elemente ale unui cadru sistematic pe care oamenii îl folosesc pentru a structura toate experiențele. Kant a definit „spațiul” în Critica rațiunii pure ca o „formă pură și subiectivă a intuiției a priori ”, deci ca o contribuție esențială a facultăților noastre umane.

În secolele al XIX - lea și al XX-lea , matematicienii au început să examineze geometriile neeuclidiene , în care spațiul poate fi descris ca mai degrabă curbat decât plat . Conform teoriei relativității generale a lui Albert Einstein , spațiul scufundat în câmpuri gravitaționale se abate de la spațiul euclidian . [5] Testele experimentale ale relativității generale au confirmat că spațiul non-euclidian oferă un model mai bun pentru forma spațiului.

Spațiul în filozofie

Leibniz și Newton

Gottfried Leibniz

În secolul al XVII-lea, filosofia spațiului și a timpului a apărut ca o problemă centrală în epistemologie și metafizică . În esență, Gottfried Leibniz , filosoful-matematician german și Isaac Newton , fizicianul-matematician englez, au formulat două teorii opuse despre ceea ce este spațiul. În loc să fie o entitate care există independent sub materie și dincolo de aceasta, Leibniz credea că spațiul nu era altceva decât setul de relații spațiale între obiecte din lume: „spațiul este cel care rezultă din locuri luate împreună”. [6] Regiunile neocupate sunt cele care ar putea avea obiecte în ele și, prin urmare, relații spațiale cu alte locuri. Prin urmare, pentru Leibniz, spațiul a fost o abstractizare idealizată a relațiilor dintre subiecți individuali sau între posibilele lor poziții și, prin urmare, nu putea fi continuă , ci trebuia să fie discretă . [7] Spațiul ar putea fi gândit într-un mod similar cu relațiile dintre membrii familiei. Chiar dacă oamenii din familie sunt înrudiți între ei, relațiile nu există independent de oameni. [8] Leibniz a susținut că spațiul nu poate exista independent de obiectele din lume, deoarece acest lucru ar implica o diferență între două exact aceleași universuri, datorită diferenței de poziție a lumii materiale în fiecare univers. Dar, întrucât nu ar exista un mod observațional de a distinge aceste universuri, în funcție de identitatea indiscernibililor, nu ar exista nicio diferență între ele. Conform principiului rațiunii suficiente , orice teorie a spațiului care implică mai multe universuri posibile trebuie, prin urmare, să fie greșită. [9]

Isaac Newton

Newton ia spațiul ca mai mult decât un set de relații între obiectele materiale și își bazează poziția pe observație și experimentare . Pentru un relaționalist nu poate exista nicio diferență reală între mișcarea inerțială , în care un obiect călătorește cu viteză constantă, și mișcarea neinerțială , în care viteza se schimbă cu timpul, deoarece toate măsurătorile spațiale sunt relative la alte obiecte și obiecte. Dar Newton a susținut că, din moment ce mișcarea non-inerțială generează forțe , spațiul trebuie să fie absolut. [10] Newton a folosit exemplul de apă într-o găleată rotativă pentru a-și demonstra punctul de vedere. O găleată care conține apă este agățată de o frânghie și rotită; apa are inițial o suprafață plană. După un timp, pe măsură ce găleata continuă să se rotească, suprafața apei devine concavă. Dacă rotația cupei este oprită, suprafața apei rămâne concavă și continuă să se rotească. Prin urmare, suprafața concavă nu este rezultatul mișcării relative dintre găleată și apă. [11] În schimb, a susținut Newton, trebuie să fie rezultatul unei mișcări non-inerțiale în raport cu spațiul însuși. Timp de multe secole, argumentul cupei a fost o demonstrație decisivă că spațiul trebuie să existe independent de materie.

Kant

Immanuel Kant

În secolul al XVIII-lea, filosoful german Immanuel Kant a dezvoltat o teorie a cunoașterii , în care cunoașterea spațiului poate fi atât a priori, cât și sintetică în același timp. [12] Conform lui Kant, cunoașterea spațiului este sintetică , în sensul că afirmațiile despre spațiu nu sunt pur și simplu adevărate în virtutea sensului cuvintelor lor. În opera sa, Kant respinge ideea că spațiul trebuie să fie fie o substanță, fie o relație. În schimb, el ajunge la concluzia că spațiul și timpul nu sunt descoperite de ființele umane ca caracteristici obiective ale lumii, ci fac parte dintr-un cadru sistematic esențial pentru organizarea experiențelor noastre. [13]

Geometriile neeuclidiene și influența lor

Geometria sferică este similară cu geometria eliptică . Nu există linii paralele pe suprafața unei sfere .

Elementele lui Euclid conțin cinci postulate care stau la baza geometriei euclidiene . Unul dintre acestea, postulatul paralel, a fost subiect de dezbatere între matematicieni de secole. Se afirmă că în fiecare plan pe care există o dreaptă L 1 și un punct P nu pe L 1 , există doar o dreaptă L 2 pe planul care trece prin punctul P și paralel cu linia dreaptă L 1 . Până în secolul al XIX-lea, puțini s-au îndoit de adevărul postulanței; dezbaterea s-a concentrat în schimb asupra faptului dacă era necesară ca axiomă sau dacă era o teorie care putea fi derivată din alte axiome. [14] În jurul anului 1830, însă, maghiarul János Bolyai și rusul Nikolai Ivanovich Lobachevsky au publicat separat tratate despre un tip de geometrie care nu include postulatul paralel, numit geometrie hiperbolică . În această geometrie, un număr infinit de linii paralele trec printr-un punct P. În consecință, suma unghiurilor dintr-un triunghi este mai mică de 180 ° în acesta și raportul dintre circumferința unui cerc și diametrul său este mai mare decât pi . În 1850, Bernhard Riemann a dezvoltat o teorie echivalentă, geometria eliptică , în care nu trec linii paralele prin P. În această geometrie, suma unghiurilor din interiorul unui triunghi este mai mare de 180 ° și cercurile au un raport de circumferință cu diametrul mai mic decât pi.

Tipul geometriei Număr de paralele Suma unghiurilor dintr-un triunghi Raportul dintre circumferință și diametru într-un cerc Curbură
Hiperbolic Infinit <180 ° > π <0
Euclidian 1 180 ° π 0
Eliptic 0 > 180 ° <π > 0

Gauss și Poincaré

Carl Friedrich Gauss
Henri Poincaré

Deși a existat un consens predominant cu privire la viziunea kantiană la momentul respectiv, odată ce geometriile neeuclidiene au fost formalizate, unii au început să se întrebe dacă spațiul fizic era curbat. Carl Friedrich Gauss , un matematician german, a fost primul care a luat în considerare o investigație empirică a structurii geometrice a spațiului. El a planificat să facă un test pe suma unghiurilor unui imens triunghi stelar și există rapoarte că el a făcut de fapt un test de triangulare la scară mică pe vârfurile munților din Germania. [15]

Henri Poincaré , un matematician și fizician francez de la sfârșitul secolului al XIX-lea, a introdus o imagine de ansamblu importantă în care a încercat să demonstreze inutilitatea oricărei încercări de a afla prin experimentare dacă geometria se aplică spațiului. [16] El a considerat situația dificilă cu care oamenii de știință s-ar confrunta dacă ar fi limitați la suprafața unei sfere imaginare mari cu proprietăți particulare, cunoscută sub numele de sferă-lume . În această lume se presupune că temperatura variază în așa fel încât toate obiectele se extind și se contractă în proporții similare în diferite locuri ale sferei. Cu o scădere adecvată a temperaturii, dacă oamenii de știință încearcă să utilizeze tije de măsurare pentru a determina suma unghiurilor interioare ale unui triunghi, pot fi păcăliți să creadă că locuiesc într-un plan mai degrabă decât pe o suprafață sferică. [17] Într-adevăr, oamenii de știință nu pot, în principiu, să stabilească dacă locuiesc într-un plan sau într-o sferă și, a susținut Poincaré, același lucru este valabil și pentru dezbaterea dacă spațiul real este sau nu euclidian. Pentru el, ce geometrie este utilizată pentru a descrie spațiul este o chestiune de convenție. [18] Întrucât geometria euclidiană este mai simplă decât geometria neeuclidiană, el a presupus că prima va fi folosită întotdeauna pentru a descrie geometria „adevărată” a lumii. [19]

Einstein

Albert Einstein

În 1905, Albert Einstein a publicat un articol despre o teorie specială a relativității , în care propunea că spațiul și timpul sunt combinate într-o singură construcție cunoscută sub numele de spațiu-timp . În această teorie, viteza luminii în vid este aceeași pentru toți observatorii, ceea ce implică faptul că două evenimente simultane pentru un anumit observator nu vor fi simultane pentru un alt observator care se deplasează în raport cu primul. În plus, un observator va măsura o bifă mai lentă pentru un ceas în mișcare decât pentru un alt ceas oprit decât observatorul însuși; obiectele se vor măsura, de asemenea, ca fiind mai scurte în direcția în care se mișcă decât observatorul.

În următorii zece ani, Einstein a lucrat la o teorie a relativității generale , care este o teorie a modului în care interacționează gravitația cu spațiul-timp. În loc să considere gravitația ca un câmp de forță care acționează în spațiu-timp, Einstein a sugerat că a fost o modificare a structurii geometrice a spațiului-timp în sine. [20] Conform teoriei generale, timpul merge mai lent în locuri cu potențiale gravitaționale mai mici, iar razele de lumină sunt curbate în prezența unui câmp gravitațional. Oamenii de știință au studiat comportamentul pulsarilor binari confirmând previziunile teoriilor lui Einstein, iar geometria non-euclidiană este de obicei folosită pentru a descrie spațiu-timp.

Tratamentul fizic

În mecanica clasică

Spațiul este una dintre puținele cantități fundamentale ale fizicii , ceea ce înseamnă că nu poate fi definit de alte cantități, deoarece nu se știe nimic mai fundamental în acest moment. Similar cu alte mărimi fundamentale (cum ar fi timpul și masa ), totuși, spațiul poate fi explorat prin măsurare și experimentare și poate fi legat de alte mărimi fundamentale.

În relativitate

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Teoria relativității .

Înainte de lucrarea lui Einstein despre fizica relativistă, timpul și spațiul erau privite ca dimensiuni independente. Descoperirile lui Einstein au arătat că datorită relativității mișcării spațiul și timpul nostru pot fi combinate matematic într-un singur obiect, spațiul-timp . Distanțele în spațiu sau distanțele în timp , considerate separat, nu sunt invariante în ceea ce privește transformările Lorentz ale coordonatelor, dar distanțele în spațiul-timp Minkowski sunt în schimb.

Dimensiunile spațiului și timpului nu trebuie văzute ca fiind exact echivalente în spațiul-timp al lui Minkowski. Vă puteți deplasa liber în spațiu, dar nu în timp. Prin urmare, coordonatele de timp și spațiu sunt tratate diferit, atât în relativitatea specială (unde timpul este uneori considerat o coordonată imaginară ), cât și în relativitatea generală (unde semnele diferite sunt atribuite componentelor temporale și spațiale ale metricei spațiu-timp ).

În teoria relativității generale a lui Einstein, se presupune că spațiul-timp este distorsionat geometric - curbat - în apropierea unor mase semnificative gravitațional. [21]

O consecință, care rezultă din ecuațiile relativității generale, a acestui postulat, este predicția deplasării undelor spațio-temporale numite unde gravitaționale . În timp ce s-au găsit dovezi indirecte ale acestor unde (în mișcările sistemului binar Hulse-Taylor , de exemplu), sunt în curs experimente care încearcă să măsoare direct aceste unde.

În cosmologie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Forma universului .

Teoria relativității duce la întrebări cosmologice despre care este forma universului și de unde a venit spațiul. Se pare că spațiul a fost creat în Big Bang în urmă cu aproximativ 13.800 de milioane de ani [22] și s-a extins de atunci. Forma generală a spațiului nu este cunoscută, dar se știe că se extinde foarte rapid .

Măsura spațiului

Măsurarea spațiului fizic a fost o problemă importantă de mult timp. Deși companiile anterioare și-au dezvoltat propriile sisteme de măsurare, Sistemul Internațional de Unități (SI) este cel mai comun sistem de unități utilizat în măsurarea spațiului în prezent și este utilizat aproape universal.

În prezent, intervalul spațial standard, numit metru standard sau pur și simplu metru , este definit ca distanța parcursă de lumină în vid într-un interval de timp exact egal cu 1/299 792 458 secunde . Această definiție împreună cu definiția actuală a unei secunde se bazează pe teoria specială a relativității în care viteza luminii joacă rolul unei constante fundamentale a naturii.

Spațiul în geografie și ca posesie

Geografia este ramura științei care se ocupă cu descrierea Pământului , folosind conștiința spațială pentru a încerca să înțeleagă de ce lucrurile există în locuri specifice. Cartografia este cartarea spațiilor pentru a permite o navigare mai bună, în scopuri de vizualizare și acționează ca un instrument de localizare. Geostatistica aplică concepte statistice asupra datelor spațiale colectate pentru a crea o evaluare a fenomenelor neobservabile.

Spațiul geografic este adesea considerat ca teren și poate avea o relație cu utilizarea proprietății (unde spațiul este privit ca proprietate sau teren). În timp ce unele culturi afirmă drepturile personale în termeni de proprietate, alte culturi se identifică cu o abordare comună a proprietății funciare, în timp ce alte culturi, cum ar fi aborigenii australieni , mai degrabă decât să impună drepturile de proprietate asupra terenurilor, inversează relația și cred că sunt de fapt deținute de pământul. Planificarea spațiului este o metodă de reglementare a utilizării spațiului la nivel funciar, cu decizii luate la nivel regional, național și internațional. Spațiul poate avea, de asemenea, un impact asupra comportamentului uman și cultural, fiind un factor important în arhitectură , unde va avea un impact asupra proiectării clădirilor și structurilor și în agricultură .

Proprietatea spațiului nu se limitează la teren. Proprietatea spațiului aerian și a apei este decisă la nivel internațional. Alte forme de proprietate a spațiului au fost stabilite recent în alte zone, de exemplu pentru benzile radio ale spectrului electromagnetic sau pentru spațiul cibernetic .

Spațiul public este un termen folosit pentru a defini suprafețele de teren care sunt deținute colectiv de comunitate și este administrat în numele său de către organismele delegate; astfel de spații sunt deschise tuturor, în timp ce proprietatea privată este un teren deținut cultural de o persoană fizică sau de o companie pentru propria lor utilizare și plăcere.

Spațiul abstract este un termen folosit în geografie pentru a indica un spațiu ipotetic caracterizat de omogenitate completă. Atunci când modelează activități sau comportamente, este un instrument conceptual folosit pentru a limita variabile străine, cum ar fi terenul.

Spațiul în psihologie

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Schema corpului .

Psihologii au început să studieze modul în care spațiul este perceput la mijlocul secolului al XIX-lea. Cei care sunt acum angajați în astfel de studii îl consideră o ramură distinctă a psihologiei . Psihologii care analizează percepția spațiului sunt preocupați de modul în care este percepută recunoașterea aspectului fizic al unui obiect sau a interacțiunilor acestuia, a se vedea, de exemplu, spațiul vizual .

Alte teme mai specializate studiate includ percepția amodală și permanența obiectului . Percepția mediului este importantă pentru relevanța sa necesară pentru supraviețuire, în special în ceea ce privește vânătoarea și autoconservarea , precum și pur și simplu ideea cuiva despre spațiul personal .

Au fost identificate mai multe fobii legate de spațiu, inclusiv agorafobia (frica de spațiile deschise), astrofobia (frica de spațiul ceresc) și claustrofobia (frica de spațiile închise).

Notă

  1. ^ Space Arhivat la 23 iulie 2015 la Internet Archive . în enciclopedia online Treccani.it .
  2. ^ Vezi de exemplu: Căutare de materie întunecată și dimensiuni suplimentare mari în evenimente monojet în coliziuni pp la √s = 7 TeV , CMS Collaboration, JHEP 09 (2012) 094 , doi: 10.1007 / JHEP09 (2012) 094 .
  3. ^ Vezi referința din Timeu-ul lui Platon și considerațiile sale despre khora. Vezi și Fizica lui Aristotel, Cartea a IV-a, Capitolul 5, despre definiția toposului . În ceea ce privește concepția lui Ibn al-Haytham (secolul al XI-lea) despre „locul geometric” sau „extensia spațială”, care este similară cu noțiunile extensio și situs de analiză dezvoltate de Descartes și Leibniz în secolul al XVII-lea și respingerea sa matematică a definiției aristotelice de topos în filozofia naturală, vezi: Nader El-Bizri, „În apărarea suveranității filozofiei: Critica lui Al-Baghdadi despre Geometrizarea locului lui Ibn al-Haytham”, Științe și filosofie arabă: un jurnal istoric , vol. 17 (2007) ), pp. 57-80.
  4. ^ AJFrench & MG Ebison, Introducere în mecanica clasică , Dodrecht, Springe, 1986, p. 1.
  5. ^ Rudolf Carnap, An introduction to the Philosophy of Science , New York, Dove, 1995 (ediție originală: Philosophical Foundations of Physics , New York, Basic cărți, 1966).
  6. ^ Leibniz, a cincea scrisoare către Samuel Clarke, în HG Alexander (ed.), Corespondența Leibniz-Clarke , Manchester, Manchester University Press, 1956, pp. 55-96.
  7. ^ Ezio Vailati, Leibniz și Clarke: Un studiu al corespondenței lor , New York, Oxford University Press, 1997, p. 115.
  8. ^ Lawrence Sklar, Filosofia fizicii , Boulder, Westview Press, 1992, p. 20.
  9. ^ L. Sklar, Filosofia fizicii , p. 21
  10. ^ L. Sklar, Filosofia fizicii , p. 22
  11. ^ Cupa lui Newton
  12. ^ R. Carnap, O introducere la filosofia științei , p. 177-178.
  13. ^ John Randolph Lucas , Spațiu, timp și cauzalitate , p. 149, ISBN 0-19-875057-9 .
  14. ^ R. Carnap, An Introduction to the Philosophy of Science , p. 126
  15. ^ R. Carnap, An Introduction to the Philosophy of Science , p. 134-136
  16. ^ Max Jammer, Conceptele spațiului. The History of Theories of Space in Physics , Cambridge, Harvard University Press, 1954, p. 165
  17. ^ Un mediu cu un indice de refracție variabil ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru a îndoi calea luminii și pentru a păcăli din nou oamenii de știință dacă încearcă să folosească lumina pentru a trasa geometria.
  18. ^ R. Carnap, An Introduction to the Philosophy of Science , p. 148
  19. ^ L. Sklar, Filosofia fizicii , p. 57
  20. ^ L. Sklar, Filosofia fizicii , p. 43
  21. ^ John A. Wheeler "A Journey Into Gravity and Spacetime" Scientific American , capitolele 8 și 9 ISBN 0-7167-6034-7
  22. ^ Cosmic Detectives , pe esa.int , Agenția Spațială Europeană (ESA), 2 aprilie 2013. Accesat la 26 aprilie 2013 .

Bibliografie

  • Brian Greene, Complotul Cosmosului , Einaudi, 2004, Torino ISBN 88-06-16962-9
  • Delfina Giovannozzi & Marco Veneziani (editat de), Locus-Spatium . XIV Colocviu internațional al Lexiconului intelectual european, (Roma, 3-5 ianuarie 2013), Florența, Olschki, 2014.

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității NDL ( EN , JA ) 00574722
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Spazio_(fisica)&oldid=112549903 ”