Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА




П

ространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и дли­тельностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответст­вующими учениями о пространстве и времени.

6.1. Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

□ Представление о пространстве и времени в доньютоновский период

Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, одни из философов отри­цали возможность существования пустого пространства, или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач и философ Эмпедокл хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, но в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для пере­мещений и соединений атомов.

В доньютоновский период развитие представлений о простран­стве и времени носило преимущественно стихийный и противоре­чивый характер. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обре­ли строгую математическую форму. В это время зарождаются гео­метрические представления об однородном и бесконечном про­странстве.


Геоцентрическая система Клавдия Птолемея (ок. 90 — ок. 160), изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании вплоть до XVI в. Она представляла собой первую универсальную ма­тематическую модель мира, в которой время понималось бесконеч­ным, а пространство — конечным, включающим равномерное кру­говое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в ге­лиоцентрической системе мира, предложенной польским астрономом Н. Коперником (1473— 1543) в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой систе­мы мира от прежних состояло в том, что в ней концепция единого однородного про­странства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

1л V* Н. Коперник

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существо­вавшие представления о ее уникальности,

«единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым тео­рия Коперника не только изменила существовавшую модель Все­ленной, но и направила движение естественно-научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно (1548—1600) связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В произведении «О бес­конечности, Вселенной и мирах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположению беско­нечного пространства и благодаря возможности и сообразности бы­тия бесчисленных миров, подобных этому...»1. Представляя Вселен­ную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространст­во», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

Практическое обоснование выводы Д. Бруно получили в «физи­ке неба» И. Кеплера (1571—1630) и небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер усмотрел дей­ствие единой физической силы. Он установил универсальную зави­симость между периодами обращения планет и средними расстоя­ниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических ор­битах. Концепция Кеплера способствовала развитию математиче­ского и физического учения о пространстве.

Подлинная революция в механике связана с именем Г. Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и матема­тическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии пред-


ставлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип клас­сической механики — принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равно­мерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математи­ческие преобразования Галилея отражают движение в двух инерци-альных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инва­риантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. В ее основу Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материаль­ных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с дру­гом и ввел, таким образом, в физику идею близкодействия.

Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел коор­динатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось в качестве одной из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.

Кроме того, Декарт развил представление о соотношении дли­тельности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же соприсуще человеку и потому явля­ется модулем мышления». «...Время, которое мы отличаем от дли­тельности, — пишет Декарт в "Началах философии", — есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим...»1.

Таким образом, развитие представлений о пространстве и вре­мени в доньютоновский период способствовало созданию концеп­туальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классиче­ской механики.

□ Ньютоновский период в развитии представлений о пространстве и времени

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классиче-


 


1 Бруно Дж. О бесконечности, Вселенной и мирах. — М.: ОГИЗ, 1936. — С. 68.


1 Декарт Р. Избранные произведения. — М.: Госполитиздат, 1950. — С. 451.


ской механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

■ Распространив на всю Вселенную закон тя­готения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множе­ство космических объектов — центров гравита­ции. Так, в рамках ньютоновской гравитаци­онной модели Вселенной утверждается пред­ставление о бесконечном пространстве, в koto-l ром находятся космические объекты, связан­ные между собой силой тяготения.

И. Ньютон

В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», который более чем на два столетия определил разви­тие всей естественно-научной картины мира. В нем были сформу­лированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характе­ризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения»1. Он предлагает раз­личать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (ис­тинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыден­ные) и дает им следующую типологическую характеристику.

«Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точ­ная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера про­должительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истин­ного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.

Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и не­подвижным.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограни­ченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами


по положению его относительно некоторых тел и которое в обы­денной жизни принимается за пространство неподвижное»1.

Из определений Ньютона следовало, что разграничение им по­нятий абсолютных и относительных пространства и времени связа­но со спецификой теоретического и эмпирического уровней их по­знания. На теоретическом уровне классической механики абсолют­ные пространство и время играли существенную роль во всей при­чинной структуре описания мира. Они выступали в качестве уни­версальной инерциальной системы отсчета, так как законы движе­ния классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространство» и «время» ограничены чувствами и свойст­вами познающей личности, а не объективными признаками реально­сти как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительных времени и пространства.

Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало не­однозначную реакцию со стороны его современников — естество­испытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г.В. Лейб­ниц (1646—1716). Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.

Указывая на чисто относительный (реляционный) характер про­странства и времени, Лейбниц писал: «Считаю пространство так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство — по­рядком сосуществований, а время — порядком последовательностей»2.

Предвосхищая положения теории относительности Эйнштейна о неразрывной связи пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться в «отвле­чении» от самих вещей. «Мгновения в отрыве от вещей ничто, — писал он, — и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей»3.

Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция про­странства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и ка­жущаяся ясность) привели к тому, что многие критические сообра­жения в ее адрес обходили молчанием, а ньютоновская концепция


 


1 Ньютон И. С. Математические начала натуральной философии // Собрание тру­дов академика А.Н. Крылова. — Т. VII. — М.; Л.: АН СССР, 1936. — С. 32.


1 Ньютон И.С. Указ. соч. С. 30.

2 Лейбниц Г.В. Соч. в 4 т. — Т. 1. — М.: Мысль, 1982. — С. 441.

3 Там же. С. 442.


 




пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, господствовала вплоть до конца XIX в.

Основные положения этой картины мира, связанные с про­странством и временем, заключаются в следующем.

> Пространство считалось бесконечным, плоским, «прямоли­нейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались гео­метрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел как незави­симая от них инерциальная система.

>Время понималось абсолютным, однородным, равномерно те­кущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объек­тов процесс длительности. Фактически классическая механика сво­дила время к длительности, фиксируя определяющее свойство вре­мени — «показывать продолжительность события»1. Значение ука­заний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения системы отсчета.

>Абсолютное время и пространство служили основой для пре­образований Галилея — Ньютона, посредством которых осуществ­лялся переход к инерциалъным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

>Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось ос­новой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгно­венно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные рас­стояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного про­странства, существующего независимо от времени.

□ представления о пространстве и времени в XIX в.

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т.е. она рассматривала поведение материальных объектов с конечным чис­лом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изу­чение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существен­ных отличий их свойств по сравнению с механическими свойства­ми тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний между телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, силы зависят от рас-

1 Аксенов Т.П. О причине времени // Вопросы философии. — 1996. — №1. — С. 43.


стояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела. Распространение же сил происходит не мгновенно, а с конеч­ной скоростью. Как отмечал А. Эйнштейн, с развитием электроди­намики и оптики становилось все очевиднее, что «недостаточно одной классической механики для полного описания явлений при­роды»1. Из теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существова­нии электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению поня­тия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — «поле», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона»2. Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описа­ния физических свойств пространства и времени. Структура элек­тромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения в рамках существовавшей в конце XIX в. физической картины мира требовал и отрицательный резуль­тат по обнаружению мирового эфира, полученный американским физиком А. Майкельсоном (1852—1931). Его опыт доказал независи­мость скорости света от движения Земли. С точки зрения классиче­ской механики результаты опыта Майкельсона не поддавались объ­яснению. Некоторые физики пытались истолковать их как указы­вающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Зем­лю, в направлении движения под действием возникающих при этом электромагнитных сил.

Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел мате­матические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени ме­жду событиями, происходящими в них, в зависимости от скорости движения.

Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лоренца от­ражаются не реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

1 Эйнштейн А. Принцип относительности. — Пг.: Научное книгоиздательство,
1922. - С. 14.

2 Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. — М.: Молодая гвардия, 1966. —
С. 220.


Таким образом, относительными оказывались и «длина», и «про-межуток времени» между событиями, и даже «одновременность» со­бытий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство и время.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.