Пространство и время

Введение Пространство и время в современной научной картине мира Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. 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.Развитие представлений о пространстве и времени В доньютоновский период Пространство и время являются основными категориями в физике, ибо 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, имеют длительную историю, важное место занимают как учения Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции.Большое влияние на формирование понятий пространства и времени как научных категорий сыграла пифагорейская школа. «Вселенная втягивает из беспредельного время, дыхание и пустоту», говорит Пифагор.

Причем пустота у пифагорейцев не имеет такого острого понятия как у атомистов, это – скорее, неоформленное, безграничное пространство. В этом беспредельном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь Космос.Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что геометрической интерпретации 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 (воспринимаемый нами с самого раннего детства как очевидный) факт трехмерности пространства, в котором мы живем. 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 самостоятельна категория, отдельно от его наполнения.

Платон же помещает между идеями и чувственным миром геометрическое пространство, рассматривая его как нечто среднее, «промежуточное» между ними. Пространство воспринимается им как «интеллигибельная материя». Если математические числа – это чисто идеальные сущности, то всевозможные математические объекты – сущности промежуточные и получаются они путем соединения числа и материи.Сформировав впервые в истории науки философию объективного идеализма, признавая идеи – первичными сущностями (бытием), Платон тем не менее считал, что идея (единое) не может не существовать, не быть познанной без соотнесенности с другими, 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.Соответственно математика выполняет роль посредника между сферами чувственного и идеального бытия; геометрические же объекты являются результатом сращивания идеи с интеллигибельной материей, то есть с пространством.

Платон приводит классификацию математики, делит ее на 4 части: арифметику, геометрию, геометрию изучающую тела, имеющие три измерения, и астрономию. Так что 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.

Поэтому и атомы Платона, соответствующие 4 стихиям: огонь, воздух, вода и земля, различны, ибо представляют собой различные геометрические многоугольники: атомы Земли имеют форму куба, огня – форму тетраэдра (четырехугольника), воздуха – форму октаэдра (восьмиугольника), воды – Фому икосаэдра (двадцатигранник). 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.

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 на ряду 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 принципа инерции, но не могли сделать последнего шага, так как не представляли себе движения в абсолютной пустоте, где движущееся тело не встречает никакого сопротивления. Шаг этот сделал Галилео Галилей.Не случайно, историки науки связывают его с именем Галилея возникновения физики как самостоятельной научной дисциплины, потому что именно Галилей применил научный метод исследования, в основе которого лежал научный эксперимент с характерной для него чертой – идеализацией ситуации, позволяющей устанавливать точные математические закономерности явлений природы.

Признание им существования пустоты позволило ему объяснить равные скорости падания различных тел и сформулировать принцип инерции.В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» в «Дне втором» Галилей формулирует два основных типа механики – принцип инерции и принцип относительности.

По существу, эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку получили в механике Ньютона.Жизнь и творчество Галилея подготовили как в методологическом, так и в научном плане почву для свершений Исаака Ньютона, положивших начало новой эре в науке в целом и не утративших своего непреходящего значения в наши дни. Однако для более полного представления том, какую роль в физике Ньютона играют понятия пространства и времени, необходимо рассмотреть точку зрения на эти понятия еще одного выдающегося мыслителя Нового времени Рене Декарта.

Основная задача поставленная Декартом, математизация физики, точнее ее геометризация по типу евклидовой геометрии.Изучение физического мира возможно только с помощью математики. «Из всех, кто когда-либо занимался поиском истины в науках, только математикам удалось получить некие доказательства, то есть указать причины, очевидные и достоверные», говорит он в «Рассуждении о методе». Следовательно, и физика должна опираться на небольшое число аксиом, из которых дедуктивно выводится упорядоченная последовательность выводов, обладающих той же степенью достоверности, что и первичные аксиомы.

Объективный мир, по Декарту, не что иное как материализованное пространство или воплощенная геометрия. Из тождественности материи и пространства Декарт делает вывод бесконечной делимости материи и, следовательно, о не существовании неделимых атомов и пустоты.В мире не существует пустого пространства, ибо в этом случае существовала бы материальная протяженность.

Протяженность материальна, следовательно, пространство заполнено субстанцией. Форма тел сводится к протяженности, масса сводится к геометрическому пространственному объему тела, индивидуальность которого проявляется только в движении. Разграничение собственного тела и пространства представляется следствием различных скоростей частей пространства.Итак, фундаментальными свойствами материи являются протяженность и движение в пространстве и во времени.

И эти свойства могут быть строго описаны математически. «Дайте мне протяженность и движение, и я построю вселенную», таков основной тезис Декарта. Отрицая пустоту, Декарт постулирует существование эфира. Позиция Декарта как геометра физики предпослала создание им новой области математики – аналитической геометрии.Он вводит координатную систему, известную как декартова система координат, а так же представление о переменной величине.

Иными словами, в математику проникает движение, что само по себе подготавливает почву для возникновения дифференцированного и интегрального исчисления. В истории науки Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, один из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции.А знаменитый врач философ из г. Акраганта Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

Некоторые философы, в том числе и Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений. В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер.И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида 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 XVI 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 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 во Вселенной.

Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства. Космологическая теория Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства.В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и марах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности к расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому » (Бруно Дж. О бесконечности, Вселенной и мирах. – М.: ОГИЗ, 1936 68.) Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности». Практическое обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» Кеплера и небесной механике Галилея.

В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представления о их эллиптических орбитах.

Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве. Подлинная революция в механике связана с именем 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 ил движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются интегральными.Математические преобразования Галилея отражают движения в двух интегральных 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 Декарта, который создал первую универсальную физико-космическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическими воздействиями 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 таким образом в физику идею близкодействия. Декарт обосновывал единство физики и геометрии.Он ввел координатную систему (названую впоследствии ее именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отожествлению материальности и протяженности.

Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отожествлял пространство с протяженностью. Декарт развил так же представление о соотношении длительности и времени.Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же – соприсуще человеку и поэтому является модулем мышления». « Время, которое мы отличаем от длительности, пишет Декарт в «Началах философии», есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим » (Декарт Р. Избранные произведения. – М.: Госполитиздат, 1950. – С.451.) Таким образом, 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.Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике Ньютона.

Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна квадрату расстояния между ними. Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной.Лишь в этом случае может существовать множество космических объектов – центров гравитации.

Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.В 1687 году вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии. Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характерезует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения». (Ньютон И.С. Математические начала натуральной философии // Собрание трудов академика А.Н. Крылова.Т. VII – М. –Л.: АН СССР, 1936. –С.32.) Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следущую типологическую характеристику: • Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно 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, 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. (Ньютон И.С. Математические начала натуральной философии // Собрание трудов академика А.Н. Крылова.

Т. VII – М. –Л.: АН СССР, 1936. –С.30.) 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 событии, последовательной 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 при¬роде и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о ка¬ких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.Такой взгляд позволил 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 развито 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 точна.