Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи

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.

Предсказываемый релятивистской теорией эффект замедления времени состоит в том, что  с точки зрения движущегося относительно рассматриваемой системы наблюдателя  все интервалы времени, характеризующие процессы в этой системе (колебания маятников часов, распад нестабильных частиц, старение биологических организмов и т.д.) увеличиваются по сравнению с интервалами, наблюдаемыми в самой этой системе. Для находящихся же в самой рассматриваемой системе наблюдателей происходящие в ней процессы протекают совершенно нормально, а время у движущегося наблюдателя «течет замедленно».

Эффект сокращения расстояний состоит в уменьшении длин отрезков с точки зрения наблюдателей, перемещающихся вдоль этих отрезков (отрезки, ориентированные перпендикулярно скорости относительного движения сохраняют свою длину неизменной).