Развитие представлений о материи, пространстве и времени

Свое дальнейшее развитие понятие материи получило в трудах метафизических материалистов, которые, как и древние материалисты, не могли в достаточной мере сосредоточить внимание на философском аспекте проблемы материи и направляли внимание, главным образом, на выявление ее физических свойств. Они понимали, что материю нельзя отождествлять с наблюдаемыми в природе конкретными видами вещества. Однако, как и древним материалистам, материя представлялась им первоосновой всех объектов природы. Под материей понимали атом, гипотетическую наименьшую частицу вещества. К этому времени развивающаяся классическая механика определила ряд физических свойств вещества. Это побудило метафизических материалистов к отождествлению понятия материи с представлениями о веществе и его механическими свойствами. К числу таких свойств материалисты относили тяжесть, инерцию, неделимость, непроницаемость, массу и др.

Много соображений  о материи, часто непосредственно  связанных с полемикой против Аристотеля, можно найти у Джордано Бруно (1548-1600) в произведении «О причине, начале и едином». Третья и четвертая части этой работы полностью посвящены определению понятия «материя». Бруно понимает материю как единую материальную основу всего, как субстанцию в собственном смысле слова. Точка зрения, согласно которой форма создает из материи отдельные предметы, оправдана тогда, говорит он, когда речь идет о работе ремесленника. Природа не творит таким способом. В жизни природы форма не является по отношению к материи внешним творческим принципом. «Следует скорее говорить, что она (материя) содержит формы и включает их в себе, чем полагать, что она их лишена и исключает. Следовательно, она, развертывающая то, что содержит в себе свернутым, должна быть названа божественной вещью и наилучшей родительницей, породительницей и матерью естественных вещей, а также всей природы в субстанции».

В XVII веке во всей Европе окончательно было сломлено господство средневековой схоластики и философское  мышление уже повсюду становится на новый путь. Происходит окончательный  отход и от Аристотеля, везде усиливается интерес к исследованию природы и высоко оценивается наблюдение и опыт. Представление о материалистической категории материи, совокупно отражающей объективную реальность, существующую вне нашего сознания и независимо от него, становятся постоянным составным элементом европейского материалистического мышления в эпоху, когда синтетическое суммирование явлений объективной реальности в одну категорию было облегчено односторонностью философского и научного мышления. Для материалистических философов XVII века «материя» была уже категорией, которая в своих основных и существенных чертах совпадает с нашим понятием материи: она была высокообобщенным отображением объективной реальности, была категорией, которая отображала всю объективную действительность. Начиная с XVI века материализм вновь расцвел, и прежде всего в Англии. В XVI и XVII веках этот материализм представлен именами Ф. Бэкона, Т. Гоббса и Дж. Локка. Английский материализм в целом сделал огромный шаг вперед по сравнению с материализмом древней Греции, однако в вопросе о происхождении общих понятий мы видим здесь лишь ряд настойчивых поисков решения проблемы.

Французский философ  Р. Декарт (1596-1650) также считал, что  все тела, как твердые, так и  жидкие, состоят из одной и той  же материи, что каждая частица материи стремится всегда превратиться в одну из своих форм и, превратившись в нее раз, всегда ее сохраняет. Природа материи, то есть тела, по Декарту состоит лишь в том, что оно (тело) есть субстанция, протяженная в длину, ширину и глубину. Мир представляет собой беспредельно протяженную субстанцию. Во всем мире существует одна материя. В XVIII веке материализм получил дальнейшее развитие. Французские философы Гольбах, Дидро, Ламетри, Гельвеций, Кондильяк преодолели многие недостатки английского материализма XVII века. В частности, Гольбаху принадлежит одно из классических определений материи: «... Материя вообще есть все то, что воздействует каким-нибудь образом на наши чувства».

В естествознании XIX столетия уровень развития науки  накладывал определенные ограничения на понимание материи — она определялась с позиции механической атомистики и, как правило, отождествлялась с одним видом материи — веществом. Материя (вещество) рассматривалась домарксовскими материалистами как состоящая из неделимых, неизменных, простейших частиц-атомов, не имеющих качеств. Качественно отличные предметы материального мира представлялись ими как разнообразные пространственно-временные комбинации этих атомов. Материи предписывалась абсолютная дискретность, наличие неизменных, вечных свойств, таких, например, как масса, инерция и т. п. Следует отметить, что до второй половины XIX века представления тогдашних философов-материалистов о материи вполне согласовывались с повседневным опытом человеческой практики и достижениями науки тех дней.

Диалектико-материалистическое представление о материи и  ее свойствах получило развитие и  на основе выдающихся достижений науки XIX и начала XX вв. Важнейшими из этих открытий явились: открытие закона сохранения и превращения энергии Р. Майером, периодического закона химических элементов Д. И. Менделеевым, теории электричества и магнетизма (Фарадей и Максвелл); открытие электрона, его структуры и свойств; радия и радиоактивного излучения; радиоактивного распада… Эти выдающиеся открытия объединяет принцип признания материальности всех явлений и процессов объективного мира. Благодаря им в науке сложилось качественно новое, диалектико-материалистическое представление о материи и ее свойствах. Однако естествоиспытатели и философы-метафизики не только не смогли подняться в понимании материи и ее свойств, законов ее изменения и развития на уровень новейших открытий науки, а, наоборот, в связи с открытием радиоактивности, рентгеновских лучей, электрона и его электромагнитных свойств, электромагнитной природы света, начали говорить об «исчезновении» материи, о «замене» материи электричеством, энергией вообще. Опровергая такие утверждения, В. И. Ленин говорит: «Материя исчезает — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи». Основной особенностью ленинского понятия материи как объективной реальности является то, что оно указывает на неисчерпаемость ее структуры и свойств; на безграничность человеческого познания материи вширь и вглубь. Так, современные специалисты в области физики микромира рассматривают в качестве объекта исследования уже не только («неделимый» когда-то) атом, но и микрочастицы, из которых состоит атом, и микрочастицы, образующиеся при взаимодействии частиц, образующих атомы…

До недавнего  времени естествознание различало  два вида материи – вещество и поле; в современном представлении к ним следует добавить третий вид материи – физический вакуум. К категории вещества следует отнести атомы, молекулы, и все образованные атомами и молекулами тела, предметы, структура и форма которых весьма разнообразны. В настоящее время известно несколько разновидностей полей: электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам. При этом существует точка зрения, объединяющая вещество и поле на основе известного из физики микромира корпускулярно-волнового дуализма.

2. Развитие  пространственно-временных  представлений в  античной философии  и классической механике

Характеризуя  систему Демокрита как теорию структурных уровней материи - физического (атомы и пустота) и математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя пространствами: непрерывное физическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах протяжения материи. В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур рассмотривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени. Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один «атом» пространства за один «атом» времени.

Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа пространства и времени. В их представлениях были реализованы субстанциальная и атрибутивная концепции. Аристотель начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть и само движение. В такой модели времени реализована реляционная концепция. Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью. В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы. Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней космоса Аристотеля. Его космологическая модель функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на земной и небесный уровни. Земной состоит из четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня (идея первичных элементов всего сущего оказалась, таким образом, довольно устойчивой); небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Эта модель просуществовала около двух тысячелетий.

На Аристотелевой  картине мира базировалась и геометрия  Эвклида (3 в. до н.э.), столь надежно  служившая человечеству на протяжении многих веков, пока практическая деятельность и научные опыты не выходили за пределы ее применимости. В геометрии Эвклида представлена модель теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами. Геометрия Эвклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов. Огромной заслугой Эвклида является выбор в качестве объектов теории твёрдого тела и световых лучей. Трехмерная модель пространства, определенная Эвклидом, стала основой для последующего – отсроченного более чем на тысячу лет – развития классической механики.

Дальнейшее развитие знаний и представлений о пространстве и времени связано с именами  Галилея, Декарта и Ньютона, которые рассматривали различные сочетания концепций пространства и инерции: у Галилея признаётся пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошёл до идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение. Для Декарта не характерен осознанный и систематический учёт относительности движения. Его представления ограничены рамками геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления изменению. Для Ньютона же характерна динамическая трактовка массы, и в его системе это понятие сыграло основопологающую роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя, ибо это требуется неизменностью божества. То же самое достоверно для Ньютона вследствие массы тела. Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают своё физическое содержание с помощью аксиом через законы движения. Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом: законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчёта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов.

Таким образом, субстанциональная концепция пространства-времени, ведущая начало от Демокрита, нашла  наиболее яркое воплощение в классической физике И. Ньютона. Идея абсолютного пространства и времени И. Ньютона соответствовала определенной физической картине мира, а именно его взглядам на материю как на совокупность отграниченных друг от друга атомов, обладающих неизменным объемом, инертностью (массой) и действующих друг на друга мгновенно, либо на расстоянии, либо при соприкосновении. Пространство, по Ньютону, неизменно, неподвижно, его свойства не зависят ни от чего, в том числе и от времени, они не зависят ни от материальных тел, ни от их движения. Можно убрать из пространства все тела, но пространство останется и свойства сохранятся. Получается, что пространство – это как бы грандиозное вместилище, напоминающее перевернутый вверх дном огромный ящик, в который помещена материя. Свойства подобного пространства, по Ньютону, определяются геометрией Эвклида. Такими же были взгляды Ньютона и на время. Он считал, что время течет одинаково во Вселенной и это течение не зависит ни от чего, – а поэтому время абсолютно, ибо оно определяет порядок следования и длительность существования материальных систем.

Однако развитие науки привело к появлению  разногласий между механикой  и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о  движении тел. Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 300'000 км/с. В 1728 году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника и/или приёмника. Опыт А.Майкельсона (1881 г.) позволил опровергнуть гипотезу о существовании «эфира» как особого вида материи. Таким образом, возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления всё хуже сводились к механике. Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла: свет оказался разновидностью электромагнитных волн. 

3. Пространство  и время в теории относительности  Альберта Эйнштейна

Субстанциональной концепции пространства-времени  со времен Аристотеля противостояла  релятивистская. Согласно этой концепции  пространство и время - не самостоятельные сущности, а системы отношений, образуемые взаимодействующими материальными объектами. Соответственно свойства пространства и времени зависят от характера взаимодействия материальных систем. Наиболее последовательно она проведена в неэвклидовой геометрии Лобачевского и Римана и в теории относительности А. Эйнштейна. Именно их теоретические положения исключили из науки понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, обнаружив тем самым несостоятельность субстанциональной трактовки пространства и времени, как самостоятельных, независимых от материи форм бытия. Именно эти учения, особенно общая и специальная теория относительности обосновали зависимость пространства и времени, их свойство от характера движения материальных систем.

1. Специальная теория относительности

В теории относительности  Эйнштейна вопрос о свойствах  и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира. Отрицательные результаты многих экспериментов  по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики. Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: «Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной». Возникала необходимость развить теорию преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Эйнштейн пришел к формулировке преобразований Лоренца, из которых вытекало отрицание неизменности протяжённости и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчёта.