История развития представлений о пространстве - времени

Понятие пространства и времени в античной философии.

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

Итак, начнем с греков. Большинство из философов того далекого прошлого не интересовались пространством в чистом виде, обсуждение подобных проблем носило вспомогательный характер при анализе покоя и движения и вообще в метафизике. А это в свою очередь для греков неизбежно сводилось к вопросу о существовании пустоты или, мы бы сказали, “пустого пространства”, не заполненного никакими телами. Причем люди уже тогда хорошо понимали, что воздух не есть настоящая пустота – это тоже тело (среда). Доводы сторонников существования пустоты в природе сводились к аргументу, что если бы в мире все места были заполнены, то тела не смогли бы двигаться, и это противоречит истинному положению дел. Этот довод был очень сильным и греки, в общем-то, ничего не смогли противопоставить ему по существу. Вывод, сделанный последователями Парменида, был неожиданным и парадоксальным, – движения нет. Не будем обсуждать мировоззрение и философию, следующее отсюда, сосредоточимся на самом утверждении. “Конечно, можно возразить, и, вероятно, это будет основательно, что движение никогда не может возникнуть в заполненном пространстве, но нельзя обоснованно утверждать, что оно там вовсе не может происходить”.

Очень замечательны в этом отношении апории Зенона, ученика Парменида. Мы вполне можем утверждать, что эти парадоксы касаются непосредственно свойств пространства и времени. Они настолько широко известны, что приводить их здесь смыслы не имеет, перейдем сразу же к анализу. Зенон старался показать при их помощи парадоксальность движения. Но для нас очень важно то, что пространственный отрезок Зенон считал возможным делить до бесконечности также как и рассматривать бесконечно близкие моменты времени. Таким образом, можно утверждать, что в античности пространство и время мыслились непрерывными, это один из важнейших для нас моментов, запомним это.

Современники Зенона были настолько поражены апориями, что конечно же старались найти какие-то объяснения. Здесь я упомяну интересное разрешение этих парадоксов, данное Демокритом. Вообще последовательная позиция этого атомиста заслуживает уважения, ведь он считал “зернистым” не только вещество, но и время, и пространством. Довод Демокрита состоял в том, что пространство дискретно, и для тела возможно лишь определенное счетное множество положений. Поясняя эту мысль, скажу, что пространство представлялось ему как бы разлинованным на клеточки, и атомы могут находиться только в определенных клетках, а с одного место в соседние перемещаться скачкообразно. Долгое время казавшаяся оригинальной, но не имеющей никакого отношения к действительности, эта точка зрения вновь привлекла к себе внимание лишь сейчас в связи с гипотезами относительно теории квантовой гравитации. Недавно некоторые авторы, к которым относится и известный советский физик Блохинцев, делали попытки проанализировать модель дискретного пространства-времени. Квант пространства при этом равнялся невообразимо малой величине 10-33 см, а квант времени 10-43 сек. Хотя и нельзя сказать, что такой подход сейчас считается перспективным, но столь неожиданные параллели между античными идеями и современными физическими парадигмами весьма замечательны. Во избежание недоразумений поясню, что сейчас уже речь, конечно, не идет о преодолении классических апорий, причина введения дискретного пространства состоит в другом.

Позже греки отчетливо разделяли материю и пространство, как вместилище всех вещей, наиболее четко такая позиция сформулирована у Аристотеля: “Утверждающие существование пустоты называют ее местом; в этом смысле пустота была бы местом, лишенным тела”. Говоря об античном воззрении на пространство и время, никак нельзя обойти геометрию Евклида. Это, наверное, первая строгая и последовательная научная теория, построенная индуктивным способом на основе аксиом, которых в элементарной геометрии пять. Эти постулаты казались совершенно естественными и неколебимыми для математиков вплоть до Лобачевского, Бойяи и Римана. Аксиомы Евклида произошли исключительно из опыта, т.е. согласно Канту представляют собой синтетические высказывания, однако, тот же немецкий философ замечает, что даны они человеку априори. Что важно для нас в античной геометрии. Наверное, стоит отметить то, что люди научились теоретически обращаться с идеальными объектами на плоскости – точками, прямыми и т. д., греки смогли абстрагироваться от реальных объектов и рассматривать отдельно форму. Можно сказать, что во времена Евклида, появились абстрактные представления о пространстве. Это знаменует качественной скачек в сознании, с пространством, оказывается, можно оперировать, отвлекаясь от наполняющего его вещества.

Атомистическая доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом и во многом предвосхитила фундаментальные открытия ученных прошлого века. Согласно, этой доктрины, всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи (атомов), которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из отсутствия начала у времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время, которому соответствует бесконечное время. По Демокриту атомы физически неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты. Сама же концепция была основана на атомах, которые в сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира. В основе этих атомов лежат амеры (пространственный минимум материи). Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениями современной физики о кварках. 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 у Демокрита сложились представления о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в стройную систему. Эпикур рассматривал 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.

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 впервые 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 неоднородном конечном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на два уровня: земной и небесный. Земной уровень состоял из четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Аристотелю удалось создать самую совершенную, для своего времени модель пространства – времени, просуществовавшую более двух тысячелетий.

От Исаака до Альберта

Вкратце познакомившись с мнением античных философов относительно пространства и времени, так как их точка зрения представляет скорее исторический интерес, двинемся дальше. Примем к сведению их порой оригинальные теории, но не станем спорить с классиками. Гораздо важнее для нас Декарт, “… доводы которого точно совпадают с положениями ранних греческих философов, сказал, что протяженность является сущностью материи, а, следовательно, материя имеется повсюду. У него протяженность – прилагательное, а не существительное, ее существительное – материя, и без своего существительного протяженность не может существовать. Для него пустое пространство также абсурдно, как счастье без чувствующего существа, которое счастливо”. Можно констатировать, что для Декарта пространство, коль скоро они есть, заполнено материей, средой. И такую особенную среду Декарт изобрел, назвав ее “тонкой материей”. Для физиков второй половину прошлого века такой “тонкой материей” был эфир – некая среда, наполняющая пространство, относительно которой распространяются электромагнитные волны. Видимо, использовав такую аналогию, я не сильно искажаю понятие “тонкой материи” Декарта (за исключением, естественно, всего сказанного об колебаниях электромагнитного поля). Пространство надо было заполнить такой протяженной материей, причем эта материя практически не проявляется в нашем мире. Мне представляется, что тогда “токая материя” фактически ничем не отличается от пустоты.

Декарт, похоже, все же очень хотел исследовать пространство как таковое без вещества. Не удивительно, что прогресс в этой области был достигнут рационалистом, ведь возможность исследования пространства эмпирическими методами представляется на тот момент несколько сомнительной. Декарту принадлежит изобретение координатной плоскости. Это уже следующая степень абстракции после Евклида. За счет введения системы координат удалось свести геометрию к чисто аналитической дисциплине, не говоря о том, что сам метод координат играет решающую роль в современной релятивистской физике. Декартовы координаты, будучи определены при помощи тройки действительных чисел, совершенно четко показывают непрерывность пространства и его трехмерность. Выражаясь языком современной математики, после Декарта пространство стало многообразием, т.е. таким множеством элементов (точек), которое можно параметризовать при помощи набора действительных чисел. Утверждение о том, что пространство есть многообразие, является важнейшим положением современной физики.

Следующий принципиальный шаг был сделан с появлением механики Исаака Ньютона. Чтобы сформулировать законы динамики Ньютону пришлось обратиться к принципиальному вопросу, что есть пространство и время? Ему было необходимо просто-напросто дать определение этим понятиям, раз уж он строил аксиоматическую теорию наподобие евклидовой геометрии. На этом моменте следует остановиться подробнее, потому что, мне кажется, сами того не осознавая, большинство наших современников, изучавших в школе физику, но не занимающиеся ею профессионально, придерживаются именно ньютоновского взгляда на пространство и время. В нашей критике Исаака Ньютона будем следовать Эрнсту Маху, давшему, на мой взгляд, самую основательную оценку трудов великого англичанина.

Обратимся к первоисточнику. “В изложенном выше имелось в виду объяснить, в каком смысле употребляются в дальнейшем менее известные названия. Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятия обыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные сужения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные.

Абсолютное. Истинное и математическое время само по себе и по самой 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, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год…”. Этим определением Ньютон абсолютизирует время, как текущее вне зависимости от любых реальных процессов в природе. Далее в этом же тексте Ньютон говорит, что может не существовать точного стандарта времени на основе физических или астрономических явлений, из-за их несовершенства (в смысле точной неповторимости). “Создается впечатление, – пишет Мах, – что … Ньютон находится еще под влиянием средневековой философии, как будто бы он изменил своему намерению исследовать только фактическое”, время становится чем-то абстрактным, независящем от всякого измерения.

Что же касается пространства, то Ньютон пишет: “Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, останется всегда одинаковым и неподвижным. Относительное есть его 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…”. Здесь представляется излишним комментировать это положение Ньютона, оно весьма аналогично его суждению о времени. Важно, что в “Началах …” различается абсолютное и относительное движения, причем это обсуждается автором очень тщательно.

Наверное Ньютон находился под влиянием Декарта, но выкинув “тонкую материю”, оставляет для своей механики только абстрактную жесткую и неподвижную систему координат, считая однако ее вполне реальной сущностью. Разделяя абсолютное и относительное движение, Ньютон даже сделал шаг назад по сравнению с Декартом, который еще раньше вполне правильно понимал относительность всякого движения. Возможно философские моменты довольно непоследовательны и искусственны, но не будем забывать, что задача Ньютона была совсем в другом – научиться описывать динамику тел. Успех механики был столь велик, что “судить победителя” научное сообщество взялось только два столетия спустя, когда началось внимательное осмысление фундаментальных положений теории Исаака Ньютона такими учеными как Ланге и Мах. Их идеи логично будет поместить здесь, т.к. во многом они вытекают из критики Ньютона.

Мах придерживался той точки зрения, что нелепо говорить о движении тела безотносительно других тел, измеряя движение лишь в абсолютном пространстве. Весь наш опыт ведь сводится к измерению лишь расстояний между отдельными предметами. Мах приводит парадокс. Предположим, что тело помещено в абсолютно пустое пространство, которое лишено даже сильно удаленных звезд, тогда нельзя понять находится ли наше тело в покое или к примеру вращается вокруг собственной оси кроме, как измерив центростремительное ускорение. Такой вывод строго следует из представлений об абсолютном пространстве у Ньютона, и можно выделить “абсолютно невращающуюся” систему отсчета в пустоте, что Мах как позицивист принять не мог.

Выход, который предлагает Мах следующий. Давайте сформулируем закон инерции (который собственно и определяет, что есть инерциальная система отсчета) иначе. “Вместо того, что относить движущееся тело к пространству (к какой-нибудь инерциальной системе), будем рассматривать непосредственно его отношение к телам мира, посредством которых только и можно определить систему координат”. Очень далекие друг от друга тела движутся с постоянными по величине и направлению (относительными) скоростями. Близкие тела, находящиеся “в более сложном отношении” или, мы бы сказали, взаимодействующие друг с другом и движутся уже с непостоянной относительной скоростью. Теперь “вместо того, чтобы говорить: расстояние и скорость массы в пространстве остаются постоянными, можно употреблять выражение, что среднее ускорение массы относительно равно нулю”. При этом ненулевое ускорение относительно ближайших тел будет скомпенсировано большим вкладом массивных удаленных объектов (звезд), которые с исследуемым телом не взаимодействуют. Поясним, что наше тело на самом деле свободно, а ускорение относительно соседей может быть из-за того эти самые соседние тела могут быть по каким-то причинам подвержены действию сил, и, тем самым, ускорены они. Удаленные массы во Вселенной “задают” инереицальн(ую/ые) системы отсчета.

Такая трактовка закона инерции Махом по истине относительная. Однако подразумевает некоторую космологию, хотя и не важно какую именно. На это Эрнст Мах отвечает, что быть может и не существует локальных законов типа ньтоновских, и, чтобы описывать даже движение тел в небольшом объеме, “невозможно отвлечься от остального мира.” Он далее замечает, “Природа не начинает с элементов, как вынуждены начинать с них мы. Впрочем, для нас счастье, если нам удается на некоторое время отвести взор от огромного целого и сосредоточиться на его отдельных частях.” Таким образом Мах исправляет идейные основания классической механики, констатируя, что в обыденности мы можем пользоваться законами Ньютона, понимая однако по-другому, что есть инерциальная система отсчета.

Оставим пока Маха и вернемся чуть назад во времени. (Мне очень трудно придерживаться хронологии и в то же время не разрывать логически изложение эволюции той или иной концепции.) Чтобы завершить разговор о пространстве и времени, как его представляли люди начала XIX столетия, надо обсудить некоторые субъективистские парадигмы. Наверное, во времена Юма возникло также новое причинное понимание времени, которое, упрощенно говоря, состоит в том, что время воспринимает нами как “параметр”, по которому упорядочиваются причина и производимое ею следствие. Вообще в это время мы видим, как наряду с вопросом о времени появляется вопрос причинности, но это уже лежит за пределами определенного мной реферата.

Следующий на ком мы остановим свой пристальный взгляд – Лейбниц. Но тут мы сталкиваемся с новой субъективной теорией пространства, которая нашла свое завершение в философии Иммануила Канта. Основываясь на своем учении о монадах. Лейбниц считает, что “пространства – как оно является чувствам, и как его рассматривает физика, – не существует, но оно имеет реального двойника, а именно расположение монад в трехмерном порядке соответственно точки зрения, с которой они отражают мир. Каждая монада видит мир в определенной перспективе присущей только ей; в этом смысле мы можем несколько произвольно говорить о монадах как имеющих пространственное положение”. Кант утверждает, что наши ощущения имеют причины, которые он называет “вещами в себе”. Наше восприятие, называемое “феноменом”, состоит из “ощущения” (объективная составляющая) и “формы” явления. Форма не есть само ощущение, это субъективный аппарат, устанавливающий определенные отношения явлений и их порядок. Форма не зависит от среды и априорна, она всегда присутствует в нас и не связана с опытом. У “чистой формы” есть две составляющие – пространство и время. При этом пространство “ответственно” за внешние ощущения, а время – за внутренние. Для обоснования своей позиции Кант выдвигает несколько доказательств, что пространство и время являются априорными формами.

“Пространство не есть эмпирическое понятие, отвлекаемое от внешнего опыта, В самом деле, представление пространства должно уже лежать в основе для того, чтобы известные ощущения были относимы к чему-то вне меня (то есть к чему-то в другом месте пространства, чем то, где я нахожусь), а также для того, чтобы я мог представлять их как находящиеся вне друг друга, следовательно, не только как различные, но и как находящиеся в различных местах”.

“Пространство есть не дискурсивное, или, как говорят, общее, понятие об отношениях вещей вообще, а чисто наглядное представление. В самом деле, можно представить себе только одно единственное пространство, и если говорят о многих пространствах, то под ними подразумевают лишь части одного и того же единого пространства, к тому же эти части не могут предшествовать единому всеохватывающему пространству как его составные элементы (из которых возможно было бы сложение), но могут быть мыслимы только как находящиеся в нем. Пространство существенно едино; многообразное в нем, а, следовательно, также общее понятие о пространствах вообще основывается исключительно на ограничениях”.

Другие аргументы Канта состоят в том, что поскольку мы не можем вообразить, что не существует пространство, то это понятие априорное, кроме того пространство – бесконечно данная величина. Последние заключения не состоятельны, т.к. являются сугубо субъективными, и другой человек может воображать все совершенно иначе. Серьезный аргумент не может быть основан на том, что можно или нельзя представить. Против утверждения из первой цитаты можно сказать, что раз пространственное расположение вещей завит от субъекта, расставляющего их (чтобы расширить нашу критику и на Лейбница тоже вместо слова “субъект” можно ставить слово “монада”). Но нельзя же игнорировать физические закономерности, которые определяют движение тел в пространстве. Получается, по совпадению для разных субъектов эти законы одинаковы, в то время, как располагать предметы они могут по соей воле.

В принципе выводы, которые делает Кант, еще можно было стерпеть в конце XVIII века во время торжества ньютоновской механики, но с появлением общей теории относительности они становятся с очевидностью ошибочными. Поясню свою мысль. Дело в том, что в эйнштейновской теории гравитации искривление самого пространства ведет к вполне определенным регистрируемым эффектам. Если стоять на позиции Канта, то получатся, что мое субъективное восприятие мира (“вид” пространства) приводит к объективным ощущениям (физическим явлениям).

Второе доказательство Иммануила Канта, касающееся единства пространства и невозможности воображения “других” пространств”, с релятивистской точки зрения опровергается тем, что пространство или пространства не являются субстанциями (так считает Бертран Рассел). Я же могу добавить, что если понимать “пространство” в математическом смысле слова, т.е. допустить существование пространств различных размерностей, сигнатур и топологий, то они никак не могут являться частями одного (плоского трехмерного) пространства. Мне кажет, что здесь я достаточно показала несостоятельность теории Канта с точки зрения современной науки, поэтому не будем углублять критику, а лучше обратимся к более важным и реалистичным парадигмам, тем более, что нас ждет новая эпоха – время релятивизма.