Развитие представлений о пространстве и времени

РЕФЕРАТ 

по дисциплине «Естествознание» 

по теме: «Развитие  представлений о пространстве и  времени» 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 3

1. Пространство-время  до Эйнштейна 4

1.1 Доньютоновский  период 4

1.2 Постньютоновский  период 6

2. Постулаты Эйнштейна  9

3. Ультрасовременные  взгляды на пространство-время  13

Заключение 18

Список литературы 20 

ВВЕДЕНИЕ 
 

Пространство и  время как всеобщие и необходимые  формы бытия материи являются фундаментальными категориями в  современной физике и других науках. Большинство физических понятий  вводятся посредством операциональных  правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В тоже время пространство и время относятся  к фундаментальным понятиям культуры.  

Физические, химические и другие величины, непосредственно  и опосредовано, связаны с измерением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных  характеристик объектов. Поэтому  расширение и углубления знаний о  мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени. 

Актуальность работы объясняется новыми веяниями в науке, новыми гипотезами и теориями о структуре  пространства-времени. 

Мы все привыкли к тому, что прошлого не вернуть, хотя порой очень хочется. Писатели-фантасты уже более века живописуют разного  рода казусы, возникающие благодаря  возможности путешествовать во времени  и влиять на ход истории. Эта тема оказалась настолько животрепещущей, что в конце прошлого века даже далекие от сказок физики всерьез  занялись поисками таких решений  уравнений, описывающих наш мир, которые позволяли бы создавать  машины времени и в мгновение  ока преодолевать любые пространства и времена. Тоннели в пространстве, вполне серьезно, как гипотетически  возможные, активно обсуждаются  в статьях по теоретической физике, на страницах самых солидных научных  изданий. Все эти гипотезы имеют  вполне реальное научное обоснование. 

Прежде, чем рассмотреть  новейшие взгляды на пространство-время  в работе, мы изучим эволюцию представлений  о пространстве и времени. 

1. ПРОСТРАНСТВО - ВРЕМЯ  ДО ЭЙНШТЕЙНА 
 

1.1 Доньютоновский  период 
 

Естественнонаучные  представления о пространстве и  времени прошли длинный путь становления  и развития. Самые первые из них  возникли из очевидного существования  в природе и в первую очередь  в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Основными  были обыденные представления о  пространстве и времени как о  каких-то внешних условиях бытия, в  которые помещена материя и которые  сохранились бы, если бы даже материя  исчезла. В материалистической картине  мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического  использования объектов, их объема и протяженности. 

Понятие времени  возникло на основе восприятия человеком  смены событий, последовательной смены  состояний предметов и круговорота  различных процессов. 

Большое влияние  на формирование понятий пространства и времени как научных категорий  сыграла пифагорейская школа. Пифагорейцы  первыми осознали трехмерность пространства, в котором мы живём. 

Платон, развивая учение пифагорейцев о математическом начале мира, впервые в античной науке  вводит понятие геометрического  пространства. До Платона в античной науке пространство не рассматривалось  как самостоятельная категория, отдельно от его наполнения. Платон же помещает между идеями и чувственным  миром геометрическое пространство, рассматривая его как нечто среднее, «промежуточное» между ними. Философия  Платона так же использует представления  о трехмерности пространства. 

Платоново-пифагорейская  научно-исследовательская программа  была развита в эллинистический  период в работах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и Евклида. Наряду с понятием пространства в Древней  Греции были выработаны такие понятия  как пустота и эфир. В главном  труде Евклида - «Началах» излагаются основные свойства пространства и пространственных фигур. В современной науке широко используется понятие евклидового  пространства как плоского пространства трех измерений. Понятию времени  в рассматриваемых школах приписывалось  равномерность и неизменность течения. 

В целом же в доньютоновский период развитие представлений о  пространстве и времени носило преимущественно  стихийный и противоречивый характер. 

Коренное изменение  пространственной и всей физической картины мира произошло с появлением гелиоцентрической системы, развитой Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие  этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция  единого однородного пространства и равномерности течения времени  обрела реальный эмпирический базис. 

Огромное влияние  на развитие представлений о пространстве и времени сыграла революция  в механике, связанная с именем Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в дальнейшем прогрессивном развитии представлений 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. 

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

1.2 Постньютоновский  период 
 

Представления о  пространстве и времени как о  внешних условиях бытия, в которые  помещена материя, позволили сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии» Этот труд, более чем на два столетия определил  развитие всей естественнонаучной картины  мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение  пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность пространства и  времени, Ньютон предлагает различать  два типа этих понятий абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую  типологическую характеристику. 

· абсолютное, истинное, математическое время само по себе и 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, 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. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и  всего существующего. 

При таком понимании, абсолютное пространство и время  представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне  и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Эта  т.н. концепция «черного ящика». 

Этот взгляд близок к субстанциональному пониманию  пространства и времени, хотя у Ньютона  они и не являются настоящими субстанциями, как материя они обладают лишь одним признаком субстанции абсолютной самостоятельностью существования  и независимостью от любых конкретных процессов, но они не обладают другим важнейшим качеством субстанции - способностью порождать различные  тела, сохраняться в их основе при  всех изменениях тел. Такую способность, Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как  совокупность атомов. 

Материя - тоже вторичная  субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время, и привел их в движение. Бог, являясь существом  внепространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором  все изменчиво и преходяще. Он вечен в своем бесконечном  совершенстве и всемогуществе и  является подлинной сущностью всякого  бытия. К нему не применима категория  времени. Бог существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную  мудрость и могущество, он создает  мир из ничего, творит материю, а  вместе с ней пространство и время  как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его  существование прекратится, а вместе с миром исчезнут пространство и  время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная  вездесущность. Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном, Аврелием Августином, Фомой Аквинским и  их последователями, Ньютон также разделял эти взгляды. 

Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования  тел, а время - как порядок отношения  и последовательность событий. Это  понимание составило сущность реляционной  концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию  как абсолютных и не зависящих  ни от чего реальностей, подвластных  только Богу. 

Есть концепции (Беркли, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость  от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать  их одно подле другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии  Евклида в течение двух тысячелетий. 

Проблема пространства и времени была тесно связана  с концепциями близкодействия и  дальнодействия. Дальнодействие мыслилось  как мгновенное распространение  гравитационных и электрических  сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель, благодаря божественному провидению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана  с пониманием пространства как протяженности  вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью  в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке  которого и передавалось взаимодействие. Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в  рамках классической физики, было унаследовано и развито далее в XX в., после  крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями. 

Современное понимание  пространства и времени было сформулировано в теории относительности А.Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную  концепцию пространства и времени  и давшей ей естественнонаучное обоснование. 

2. ПОСТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА 
 

Исходным пунктом  этой теории, стал принцип относительности. Классический принцип относительности  был сформулирован еще Галилеем: во всех инерциальных системах отсчета  движение тел происходит по одинаковым законам. Инерциальными называются системы отсчета, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. 

Современный релятивистский подход к описанию природных явлений  базируется на двух постулатах Эйнштейна. 

Первый, является естественным обобщением принципа относительности  Галилея с механических на все  без исключения явления природы, и может быть сформулирован как  утверждение о невозможности  наблюдателю, находящемуся в замкнутой  системе отсчета, при помощи какого-либо физического (а значит и любого другого) опыта установить, покоится ли его  система отсчета или находится  в состоянии равномерного прямолинейного движения. 

Вторым постулатом Эйнштейна является утверждение  о постоянстве скорости света, неоднократно проверявшееся Майкельсоном, и впоследствии в более точных экспериментах. 

На основе сформулированных постулатов Эйнштейна пересматриваются все основные положения классической кинематики и делаются основные выводы релятивистской кинематики. Делается вывод о том, что понятия одновременности  событий, длительности временного промежутка и длины отрезка перестают  носить абсолютный характер, становясь  зависимыми от выбора системы отсчета, из которой ведется наблюдение.