Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА: РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Вопросы для устного обсуждения на семинаре:

1. Развитие взглядов на пространство и время в доньютоновский период.

2. Пространство и время в механике Ньютона.

3. Пространство и время в теории относительности Эйнштейна.

4. Понятие кривизны пространства. Неевклидова геометрия.

5. Релятивистская космология.

6. Пространство и время в современной философии.

Письменное домашнее задание:

Задание 1. Дайте письменные ответы на вопросы:

a) Чем вызывается смена наших представлений о пространстве и времени?

b) Каким образом (за счет чего?) происходит обогащение представлений о пространстве и времени?

c) Что нового в понимании связи материи, движения, пространства и времени внесла теория относительности А. Эйнштейна?

Задание 2. Из перечисленных ниже свойств, определите, какие относятся к пространству, а какие ко времени, а какие являются общими. Поясните эти свойства.

Свойства пространства:	Свойства времени:
1… 2… и т.д.	1… 2… и т.д.

A. Объективность

B. Бесконечность

C. Изотропность

D. Однородность

E. Непрерывность

F. Одномерность

G. Необратимость

H. Трехмерность

I. Кривизна

J. Неразрывная связь с материей и движением

Материал для изучения:

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА: РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

Пространство и время как всеобщие 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, то есть пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

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, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения.

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

Материя в представлениях Аристотеля пассивна, для движения нужен источник – вечное вращательное движение небесных сфер не мыслилось без первичного двигателя, а в земных условиях должна быть приложена внешняя сила. Отсюда кардинальная разница между земным и небесным состояниями движения и покоя. Пространство – не просто вместилище тел, его свойства связаны с физическим бытием материи, оно непрерывно по протяженности, как время непрерывно по длительности. «Место» - это не объем, занимаемый телом, оно не принадлежит предмету, с предметом связаны материя и форма, а место как граница объемлющей материальной среды меняется при движении. Поэтому пространство (совокупность мест) является наполненным, а к пустоте это понятие не применимо. Аристотель, считая, что «природа не любит пустоты», отрицал возможность существования как пустого пространства, так и пустого времени. И пустое пространство атомистов – абстракция чисто геометрических свойств реального физического пространства. Так как «мы вместе ощущаем и движение, и время», то «время есть или движение, или нечто, связанное с движением». Но движения могут иметь разную скорость, то есть они должны измеряться временем. Значит, время есть «мера движения». Платон писал» «Поскольку день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной».

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

Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании до 16 века. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было 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, развитой Н. 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.

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, единственности центра вращения в Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественнонаучной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и мирах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и своеобразности бытия бесчисленных миров, подобных этому…». Бруно представлял вселенную «целым бесконечным», «единым безмерным пространством». Он делает вывод о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхностия».

Практическое обоснование выводы Бруно получили в «Физике неба» И. Кеплера и в небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость между периодами вращения 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 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. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея отражают движение в двух инерциальных 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 основу ее 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 в физику идею близкодействия.

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

Декарт также 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».

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.

Классическая механика Ньютона легла в основу новой физической гравитационной картины мира. Ее вершиной является теория тяготения. Она провозгласила 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 расстояний между нами. Этот закон действует во всей Вселенной. На основе этого, Ньютон сделал вывод, что Вселенная бесконечна. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов – центров гравитации. Так, Ньютон доказывает бесконечность пространства.

В 1687 году вышел главный труд Ньютона – «Математические начала натуральной философии». В нем были сформулированы основные законы движение, дано определение понятий пространства, времени, места, 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 в порядке положения».

Он предлагает различать два типа пространства и времени: 1) абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные).

· 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 (например, час, день, месяц).

· 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.

Разграничение понятий относительного и абсолютного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики абсолютное 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. Ньютон понимал абсолютное пространство и время субстанционально – то есть независимыми ни от материи, ни друг от друга. Субстанциональная концепция пространства и времени – концепция, рассматривающая пространство и время как особые самостоятельные сущности, которые существуют наряду и независимо от материальных объектов. Субстанциональными являются практически все доньютоновские концепции и собственно ньютоновская концепция пространства-времени.

 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 относительного времени и пространства.

Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную реакцию со стороны его современников. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г.В. Лейбниц. 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».

Лейбниц предвосхитил положения теории относительности Эйнштейна о неразрывной связи пространства и времени с материей. Он 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».

Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция пространства и времени была неоднозначна 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 обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, господствовала вплоть до конца 19 века.

Пространство и время в свете теории относительности А. Эйнштейна.

Концепция пространства-времени Эйнштейна – реляционная концепция, которая рассматривает пространство и время не как особые, независимые от материи сущности, а как формы существования материи (которые зависят от самой материи). В истории философии реляционной концепции пространства-времени придерживались Лейбниц, Гегель, Энгельс.

Специальная теория относительности была создана А. Эйнштейном в 1905 году. Она стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца.

«Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения, она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем».

В основе специальной теории относительности лежат два постулата:

1) Принцип относительности – все физические явления происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно;

2) Инвариантность скорости света – скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света.

В теории Эйнштейна мир не делится на пространство и время. В ней говорится не о трехмерном пространстве и времени, а о четырехмерном многообразии (континууме) пространства-времени. Физическое пространство, постигаемое через объекты и их движение, имеет три измерения, и положение объектов характеризуется тремя координатами. Момент события есть четвертая координата. Точка в четырехмерном пространстве определяется четырьмя координатами и называется мировой точкой. Здесь – представление о тесной взаимозависимости и взаимодополнительности пространства и времени.

В специальной теории относительности время не абсолютно, а относительно – ход часов в различных системах отсчета может быть неодинаковым. Так, для наблюдателя в системе отсчета, движущейся относительно него со скоростью v, время будет течь медленнее:

 

где t₀ – время в неподвижной системе, с – скорость света в вакууме.

Кроме того, с увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения:

 

 

где l₀ – линейные размеры тела в состоянии покоя, с – скорость света в вакууме.

Из-за конечности скорости света два события, одновременные в одной системе отсчета, оказываются не одновременными в разных системах, то есть понятие одновременности событий зависит от системы наблюдения, что означает относительный характер. Поэтому СТО называют также релятивистской теорией, а разделы физики, изучающие явления, связанные с движениями, происходящими со скоростями, сравнимыми со скоростью света, - релятивистской физикой. Если скорости движения частиц много меньше скорости света, формулы СТО становятся похожими на уравнения механики Ньютона.

Из СТО также следует, что масса тела не является постоянной величиной. С увеличением скорости тела масса возрастает:

 

 

где m₀  - масса тела в состоянии покоя, с – скорость света.

Важнейшим следствием СТО является вывод об эквивалентности массы и энергии, то есть масса и энергия – это разные названия для одной и той же физической сущности. Можно измерять энергию в единицах массы, а массу – в единицах энергии. Эквивалентность массы и энергии отражена в формуле Эйнштейна для полной массы-энергии тела: E = mc². Пропорциональность массы и энергии является выражением внутренней сущности материи.

В 1916 году Эйнштейн разработал общую теорию относительности уже для любых систем отсчета, включив в нее СТО. Согласно принципу относительности Эйнштейна, законы физики одинаковы во всех системах отсчета. При создании ОТО Эйнштейн исходил из принципа тождественности сил инерции и сил гравитации (т.е. можно любую неинерциальную (ускоренную) систему заменить эквивалентной ей инерциальной, в которой имеется гравитационное поле. Отсюда вытекают два следствия:

1) Эквивалентность пространственно-временных соотношений материальному объекту (например, ускорение – полю гравитации, обладающему энергией);

2) Гравитационное взаимодействие можно рассматривать как искривление пространства-времени.

При наличии в пространстве тяготеющих масс пространство искривляется, становится неевклидовым (Вблизи массивных тел время замедляет свой ход и уменьшается протяженность тела. Этот эффект тем заметнее, чем больше масса небесных тел).

В течение многих столетий полагали, что реальное пространство может быть только прямолинейным, каким его описал еще в III веке до н.э. древнегреческий математик Евклид. Евклидово пространство характеризуется прямой линией, лишенной кривизны плоскостью. Сумма углов треугольника в таком пространстве равна 180 градусов. Важнейшим свойством прямолинейного пространства выражаются постулатом о параллельных прямых, согласно которому через точку на плоскости, не лежащую на данной прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной прямой. В 19 веке ряд выдающихся математиков почти одновременно пришли к мысли о возможности существования пространства с принципиально иной геометрией. Н.И. Лобаческий (1792 – 1856) разработал первый вариант теории криволинейного пространства (1826), в которой через точку на плоскости можно провести более одной прямой, параллельной данной, сумма углов треугольника меньше 180 градусов и т.д. Пространство Лобачевского можно представить в виде вогнутого пространства граммофонной трубы. Близкие варианты криволинейной геометрии были разработаны венгерским математиком Я. Больяи и немецким математиком К.Ф. Гауссом. Несколько позже вариант геометрии выпуклого пространства (где сумма углов треугольника больше 180 градусов) создал немецкий математик Б. Риман (1854). В евклидовой геометрии кривизна нулевая, у Римана – положительная, у Лобачевского – отрицательная. Риман впоследствии показал единство и непротиворечивость всех неевклидовых геометрий, частным случаем которых является геометрия Евклида. Полностью значение этого шала было осознано только в 20 веке с появлением теории относительности.

Теория Эйнштейна нашла свое эмпирическое подтверждение – еще при жизни Эйнштейна были измерены отклонения луча света от звезды вблизи Солнца (во время полного солнечного затмения).

Созданная Эйнштейном новая теория пространства – времени не умаляет достижения классической физики, а только ограничивает область ее применимости. Необходимость учета эффектов, предсказанных в теории относительности, возникает только при достаточно больших скоростях движения (близких к скорости света) и при достаточно больших массах небесных тел. Когда скорости невелики, а масса небесного тела того же порядка, что и масса Земли, этими эффектами можно пренебречь.

В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства – времени определяется распределением масс материи. Когда корреспондент американской газеты «Нью Йорк Таймс» спросил Эйнштейна в апреле 1921 года, в чем суть его теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности, вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

На основе ОТО возникла релятивистская космология. Был выдвинут ряд моделей видимой Вселенной. Уравнения ОТО допускают рассматривать видимую Вселенную как эволюционирующую. Эволюция видимой Вселенной заключается в ее расширении, в процессе которого происходит образование наблюдаемых в настоящее время физических объектов – вещества, поля, элементарных частиц, галактик, небесных тел и т.д. Благодаря открытию Хабблом (1929 год) «красного смещения» спектра удаленных галактик, которое было истолковано (на основе «эффекта Допплера») как свидетельство «разбегания галактик», а также «реликтового излучения» с температурой примерно 3˚ К, была разработана теория «горячей Вселенной», или, иначе, расширяющейся Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная 15 – 20 млрд лет назад возникла в результате космического Большого взрыва, которому предшествовало так называемое Сингулярное состояние, когда материя видимой Вселенной была «стянута в точку», находилась в сверхплотном состоянии, характеризующемся бесконечной плотностью, температурой, кривизной пространства.

В релятивистской космологии принято, что существует критическая величина средней плотности, равная примерно 10^-29 г/см³, то есть 10 атомам водорода в одном кубическом метре. Если реальная плотность материи меньше критической, пространство видимой Вселенной обладает отрицательной кривизной, а расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно. Согласно этой модели во Вселенной через 10³³ и более лет распадутся все протоны и вещество превратится в разряженный газ электронов, позитронов, фотонов, а в интервале от 10⁶⁰ до 10¹⁰⁰ лет испарятся и так называемые «черные дыры» (сверхплотные состояния вещества, возникающие в результате «коллапса», в которых тяготение «запирает» световое излучение).

Если средняя плотность материи оказывается больше критической, расширение Вселенной в будущем сменится сжатием коллапсом, в результате которого возникнет новое сингулярное состояние.

Согласно С. Вайнбергу, единственная альтернатива человечеству во Вселенной – «либо быть сожженным в закрытой Вселенной, либо быть замороженным – в открытой».

В последние годы модель расширяющейся горячей Вселенной была дополнена представлением о «раздувающейся», в некоторый ранний период Вселенной.

Нередко в популярной литературе открытую Вселенную с пространством отрицательной кривизны называют бесконечной, а закрытую – конечной. Однако, как заметил В.А. Фок, речь здесь может идти только о закрытой или открытой моделях Вселенной, а не о бесконечности или конечности пространства в строгом смысле слова.

С релятивистской космологией, появлением концепции эволюционирующей Вселенной в физику и космологию впервые входит глубокая идея развития, физика становится эволюционной наукой.

Философское значение теории относительности заключается в том, что она подтвердила диалектико-материалистическое понимание пространства и времени, их неразрывной связи друг с другом и материей.

Главное в содержании и значении теории относительности Эйнштейна состояло в том, что она дала материал и толчок для существенного углубления научной философской концепции пространства, времени, движения и материи. Она наполнила более глубоким содержанием понятие связи пространства и времени, их зависимость от материи.

С теорией относительности и неевклидовой геометрией в науку и философию входит понятие о различных формах пространства и времени, ставится целый ряд новых философских проблем.

С новыми представлениями о пространстве и времени более глубоким содержанием наполнилось и понятие объективной реальности, которое было опосредовано понятием об относительности и многообразии пространственно-временных форм объективно-реального существования.