Пространство и время

МОУ «Гимназия №7»

  Введение

      Понятия пространства и времени издавна используют в паре друг с другом. Это связано с тем, что и то, и другое выражает упорядоченность, встречающуюся в мире. Вместе с  тем они сильно различаются по смыслу, поскольку смысл понятия времени связан с тем, что оно приходит на смену друг другу (одно после другого), в то время как смысл понятия пространства связан, напротив, с упорядочиванием сосуществующего (одного рядом с другим).

     Тайна времени увлекала человеческий разум не одно тысячелетие. Самые глубокие умы человечества стремились проникнуть в неё. До сих пор не определены многие тупики, в которые заводила эта проблема. Последние столетия бурно развивающаяся наука пролила некоторый свет на природу времени, изучив специфические для соответствующей области науки проявления временного. В итоге, оптимистические ожидания переросли в осознание того, что ускользает опять целостное проникновение в сущность времени.

Пространство же никогда не вызывает личностного чувства, и обычно представляется более ясным, чем время. Представление человека о пространстве, в котором он живет и существует природа, есть  пространство Вселенной, которое изучается в космологии. Вместе с проблемой начала мира и его судьбы.

Развитие представлений о пространстве и времени.

1. В доньютоновский период

   Пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную историю, важное место занимают как учения Древнего Востока, так и мифологии, а позднее в науке Древней Греции. Большое влияние на формирование понятий пространства и времени как научных категорий сыграла пифагорейская школа. «Вселенная втягивает беспредельное время, дыхание и пустоту»,- говорил Пифагор. Причем пустота у пифагорейцев не имеет такого острого понятия как у атомистов, это - скорее безграничное пространство. В этом беспредельном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль времени, из которого вырос весь Космос. Втягиваясь в длину, она порождает число 2, что означает линию; линия, вытягиваясь в ширину, порождает  число 3 – плоскость; плоскость, вытягиваясь в высоту, порождает число 4 – объем. Таким образом, уже пифагорейцы, описывая Космос, осознают факт трехмерности пространства, в котором мы живем. Платон, развивая учение  пифагорейцев о математическом начале мира, впервые в научной античной науке вводит понятие геометрического пространства. Он считал, что идея (единое) не может существовать с материей, представляющей собой множество чувственно воспринимаемых вещей. Таким образом, Платон рассматривает 3 реальности: бытие – сфера идеального; возникновение – сфера чувственных вещей; пространство – не идеальное и не чувственное. Философия Платона так же использует представления о трехмерности пространства. Познать природные элементы по Платону - это значит познать их геометрически, то есть определить их пространственное образование. Отсюда и атомы Платона соответствуют  4 стихиям: огонь, воздух, земля и вода. Они имеют     разную геометрическую форму: атомы Земли имеют форму куба, огня – форму тетраэдра (четырехугольника), воздуха – форму октаэдра (восьмиугольника), вода – форму икосаэдра (двадцатигранника).  Учение Платона может быть рассмотрено как попытка геометризации мира. Платоново – пифагорейская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в работах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и Евклида. В главном труде Евклида «Началах» излагаются основные свойства пространства и пространственных фигур.

2. 18 век

  В современной науке широко используется понятие евклидового пространства как плоского пространства трех измерений. Систематическое изучение пространства и пространственных фигур греками было подчинено главной цели – исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы.
  Следует отметить, что наряду с понятием пространства в Древней Греции были выработаны такие понятия как пустота и эфир. Эти понятия неразрывно связаны с представлениями о свойствах пространства, принятие или не принятие их как основополагающих в структуре науки, о чем свидетельствуют катаклизмы, происходящие в физике на протяжении всего ее развития, в особенности на рубеже XIX-XX вв.

    В  эпоху возрождения достигается осознание взаимосвязи между механикой и геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к представлению о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении развития физики как стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходных понятий науки. Однако каковы особенности и характерные черты этого пространства? Заполнено оно эфиром или является пустым? Вопрос этот не был праздным, решение его играло роль глубинной предпосылки построения в дальнейшем его каркаса ньютоновской физики.

         Леонардо да Винчи и другие мыслители эпохи Возрождения вплотную подходили к формулированию  инертности, но не могли сделать последнего шага. Шаг этот сделал Галилео Галилей. Он применил научный метод исследования, в основе которого лежал научный эксперимент с характерной для него чертой – идеализации ситуации, позволяющей установить точные математические закономерности явлений природы. Признание им существования пустоты позволило ему объяснить разные скорости падения разных тел и сформулировать принцип инертности. В своем труде «Диалог  о  двух главнейших системах мира -  птолемеевой и коперниковой» в «Дне втором» Галилей формулирует два основных типа механики – принцип инертности и принцип относительности. По существу, эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку получили в механике Ньютона. Жизнь и творчество Галилея подготовили почву для свершений Исаака Ньютона.

      Законы Ньютона справедливы только для инерциальных систем. Однако не одно реальное тело не может с идеальной точностью выполнять функцию такой системы, поскольку в реальности всегда присутствуют силы, нарушающие закон инерции и другие законы механики.  По-видимому, это и привело Ньютона к понятию абсолютного пространства. У Ньютона абсолютное время существует и длится равномерно само по себе, безотносительно к каким-либо событиям. Абсолютное время и абсолютное пространство не зависят друг от друга. Сформулировав основные законы механики, Ньютон заложил фундамент физической теории. Однако построить на этом фундаменте стройное здание теории предстояло его последователям. Решающую роль для становления классической механики имело использование дифференциального и интегрального исчисления, аппарата математического анализа.

      В течение 18 века создается математический аппарат классической механики на базе дифференциального и интегрального исчисления. Разработку аналитических методов механики завершил Лагранж, получивший уравнение движения системы обобщенных координат, названные его именем. С именем Ньютона связано открытие закона о всемирном тяготении. Первые высказывания о тяготении как всеобщем свойстве тел относится к античности. И.Кеплер говорил, что «тяжесть есть взаимное стремление всех тел». Окончательная формулировка этого закона была сделана Ньютоном в 1687 в его главном труде «Математические начала натуральной философии».

3. 19 век

           В начале 19 века переносчиком электромагнитных взаимодействий считалась всепроникающая среда эфир. На эту среду опиралась вся оптика и электродинамика. Первоначальный эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу. Соответственно распространение световых волн уподоблялось распространению звука в упругой среде. Гипотеза механического эфира встретилась с большими трудностями. В течение долгого времени проблема поколения математиков и физиков пытались внести свой вклад в решение проблемы эфира. В результате попыток построить модель эфира так и не удалось. Проблема эфира приобрела фундаментальный характер, поскольку эта среда заняла в физике чрезвычайно важное место.

             Американский физик Майкельсон в 1881 году поставил опыт для выяснения участия эфира в движении тел. Ряд явлений (абберации света, опыт Физо) приводил к заключению, что эфир неподвижен. Согласно гипотезе неподвижности эфира, можно наблюдаться «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир, и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления его движения в эфире. Однако этого не было обнаружено – опыт Майкельсона дал отрицательный результат. Результаты его опыта, как и других подобных опытов, могли быть объяснены и без радикальных изменений классических представлений о пространстве и времени.  

       Всю совокупность результатов в области электродинамики движущихся тел в начале века можно было объяснить на базе преобразований Лоренца, которые были получены в 1904 году как преобразования, по отношению к которым уравнение классической микроскопической электродинамики сохраняют свой вид. Лоренц и Пуанкаре интерпретировали эти преобразования как результат сжимания тел постоянным давлением эфира, т. е. динамически в рамках классических представлений о пространстве и времени.

    Альберт Эйнштейн интерпретировал преобразования Лоренца кинетически, т.е. как характеризующие свойства движения в пространстве и времени, тем самым заложив основы теории относительности. Он снял проблему эфира, упразднив его, радикально изменив его, радикально изменив классические представления о пространстве и времени. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (от латинского – относительный) и проявляются при скоростях, близких к скорости света в вакууме (эти скорости тоже принято называть релятивистскими).    В соответствии с теорией относительности, существует предельная скорость передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую – это скорость света в вакууме. Существование предельной скорости означает необходимость глубокого изменения обычных пространственно-временных представлений, основанных на повседневном опыте, поскольку ведет к такому явлению, как замедление времени. Обобщение теории тяготения (выведенной Ньютоном) на основе специальной теории относительности было сделано Эйнштейном. Новая теория была названа им общей теорией относительности. Самой главной особенностью поля  тяготения является то, что тяготение одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от массы, химического состава и других свойств тел. Так, на поверхности Земли все тела падают с одинаковым ускорением  -  ускорением свободного падения. Этот факт был установлен опытным путем Галилеем. Он может быть сформулирован как факт равенства инертной массы (входящей во второй закон Ньютона) и гравитационной массы (входящей в закон тяготения).          В картине мира современной физики главную роль играет принцип эквивалентности, согласно которому поле тяготения в небольшой области пространства и времени (в которой его можно считать однородным и постоянным во времени по своему проявлению) тождественно ускоренной системе отсчета.  Принцип эквивалентности следует из равенства инертной и гравитационной масс. В соответствии с этим принципом общая теория относительности трактует тяготение как искривление четырехмерного пространственно-временного континуума. Это означает, что геометрия пространства будет не евклидовой, а время в разных точках будет  течь по-разному. Ряд выводов СТО качественно отличаются от выводов ньютоновской теории тяготения. Важнейшие среди них связаны с возникновением черных дыр, сингулярностей пространства-времени, существованием гравитационных волн (гравитационного излучения).

       Фундаментальный закон, описывающий  движение в квантовой физике – уравнение Шредингера, которое лежит в основе волновой механики (теории движения микрочастиц) – является симметричным во времени. Это означает, что и здесь, как в физике Ньютона, на фундаментальном уровне время не содержит в себе различия между прошлым и будущим.

Заключение

          Специальная теория относительности, построение которой было завершено А. Эйнштейном в 1905 году, доказала, что в реальном физическом мире пространственные и временные интервалы меняются при переходе от одной системы отсчета к другой. Старая же физика считала, что если системы отсчета движутся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, то пространственные и временные интервалы не меняются. Теория относительности эти представления отвергла. Она показала однородность взглядов на пространство и время, и привела к выводам о зависимости ритма часов от состояния их движения, зависимости массы от скорости, о взаимосвязи между массой и энергией; все эти выводы широко подтверждены опытами.

     Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца оказываются связанными с новыми свойствами пространства и времени: с относительностью длины и временного промежутка, с равноправностью пространства и времени, с инвариантностью пространственно-временного интервала. Важный вклад в понятие "равноправность" внёс Г.Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырёхмерного континуума. Разделение на пространство и время не имеет смысла. Введение Минковским четырёхмерного формализма помогло выявить аспекты "абсолютного мира", заданного в пространственно - временном континууме. В теории относительности, как и в классической механике, существуют два типа пространства и времени. В классической механике абсолютные пространство и время выступали в качестве структуры мира на теоретическом уровне. В специальной теории  четырёхмерное пространство - время. Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное "тому, что заполняет пространство" и что зависит от координат. "Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля". Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам. Теория предсказала и объяснила три общерелятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было предсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

   Что же такое пространтво и время? С точки зрения физики в разные эпохи по разному представлялось великими учеными. И до сих пор единого представления нет. Поэтому эту тайну еще не одно столетие будут разгадывать. Современные физики продолжают работать над  её развитием, например, об этом свидетельствует создание электронного колайбера.

  Физика продолжает  развиваться, идя в ногу со временем. Делая новые опыты, ученые совершают новые открытия и теории.

Литература

1. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании. М.: Мысль, 1982.
2. Дубровский В. Н. Концепция пространства-времени. -М.: Наука, 1991.
3. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения и регуляторы практической деятельности.  -Минск: Наука и техника,1989.
4. Потёмкин В.К., Симонов А.Л. Пространство в структуре мира. -Новосибирск: Наука,1990.
5. Современная философия науки: Хрестоматия / Сост., вступ. ст. А.А.Печенкина. - М.: Наука, 1994.
6. Энциклопедический словарь юного физика. - М. Педагогика, 1984.
7.  Эйнштейн А. Физика и реальность. -М.: Наука, 1965.