Принцип относительности

Согласно принципу относительности не существует абсолютного движения. А следовательно, не существует и абсолютного пространства, абсолютного времени и т. п. Этот принцип подразумевает, что протекание природных процессов не зависит от того, какую точку зрения занимает наблюдатель, их описывающий. Был выдвинут Альбертом Эйнштейном в качестве одной из основ частной теории относительности. Оспаривался многими учеными. В настоящее время прочно вошел в инертное ядро современной научной парадигмы.

Прямым следствием принципа относительности является принцип инвариантности законов природы к преобразованиям системы отсчета, в которой они были сформулированы. Принцип инвариантности утверждает, что вид основных уравнений, описывающих природные явления, не зависит от преобразования координат и времени, входящих в эти уравнения.

Принцип инвариантности  ИНВАРИАНТНОСТЬ - неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, напр., преобразованиям координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (релятивистская инвариантность). СИММЕТРИЯ (от греч. symmetria — соразмерность) - в широком смысле — инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований (т. е. изменений ряда физических условий). Симметрия лежит в основе законов сохранения. Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. Параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он

формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических условий. В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров. Наглядным примером простран¬ственных симметрий физических систем является кристалличе¬ская структура твердых тел. Симметрия кристаллов — закономер¬ность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть со¬вмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллель¬ных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения. Напри¬мер, как следует из математического моделирования, процесс взаимодействия свободного электрона с изотопами кристалличе¬ской решетки имеет симметричный характер.

Принцип дополнительности Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных. Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как выходящая за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется в настоящее время), что интерпретация квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта». Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.

22

Категории пространства и времени выступают как предельно общие абстракции, в которых схватывается структурная организованность и изменчивость бытия. Пространство и время — это формы бытия материи.

Форма является внутренней организацией содержания, и если в качестве содержания выступает материальный субстрат, то пространство и время будут формами, которые его организуют. Вне этих форм материя не существует. Но сами пространство и время также не существуют в отрыве от материи. Только в абстракции мы можем отделить их от материального мира.

В истории философии существовали различные концепции пространства и времени. Их можно разбить на два больших класса: концепции субстанциальные и реляционные. Субстанциальная концепция рассматривает пространство и время как особые сущности, которые существуют сами по себе, независимо от материальных объектов. Они как бы арена, на которой находятся объекты и развертываются процессы. Подобно тому как арена может существовать и без того, что на ней размещены определенные предметы, движутся актеры, разыгрывается какое-то представление, так и пространство и время могут существовать независимо от материальных объектов и процессов. Подобную точку зрения отстаивал, например, И. Ньютон. Встречалась она и в древней философии. Так представление древнегреческих философов-атомистов (Демокрита, Эпикура) о пустоте неявно предполагало концепцию субстанциальности пространства. В противовес субстанциальному подходу в истории философии развивалась реляционная концепция пространства и времени. Одним из наиболее ярких представителей ее был Г. В. Лейбниц, полемизировавший с И. Ньютоном по вопросам о сущности пространства и времени. Лейбниц настаивал на том, что пространство и время — это особые отношения между объектами и процессами и вне их не существуют.

23

Новая картина мира была предложена И. Ньютоном. Распространив на всю Вселенную закон тяготения, он пришел к выводу, что Вселенная бесконечна. Лишь в этом случае в ней может находиться множество космических объектов – центров гравитации, связанных между собой силой тяготения. Пространство и время Ньютон характеризует как вместилища самих себя и всего существующего: во времени все располагается в порядке последовательности, в пространстве – в порядке положения. При этом Ньютон различал два типа понятий пространства и времени – абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные). Абсолютное время само по себе и без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью, а абсолютное пространство безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное время есть постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного времени (час, день, месяц, год), а относительное пространство есть мера или какая-либо его ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Для своих построений Ньютон использовал модели абсолютного пространства и времени.

Немецкий ученый Г. Лейбниц развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей. Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц считал, что пространство и время есть нечто относительное (пространство – порядок сосуществования, а время – порядок последовательностей) и не могут рассматриваться в отрыве от самих "вещей". Однако идеи Лейбница о пространстве и времени не получили распространения.

Ньютоновская концепция пространства и времени и принцип относительности Галилея, на основе которых строилась физическая картина мира, господствовали вплоть до конца XIX века. Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной стало основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространялось на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного пространства, существующего независимо от времени.

Изучение электромагнитных явлений выявило ряд существенных отличий их свойств от механических свойств тел. Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний между телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX веке английскими физиками М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела, распространение же сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Из этого вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было значимо для описания свойств пространства и времени. Перенос принципа относительности на электродинамику не представлялся возможным, так как в то время считалось, что все пространство заполнено особой средой – эфиром, натяжения в котором истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. Эфир не влиял на механические движения тел, но на электромагнитных процессах движение относительно эфира ("эфирный ветер") должно было сказываться. В частности, предполагалось, что "эфирный ветер" должен влиять на распространение света. Однако попытки обнаружить "эфирный ветер" не увенчались успехом. Так, американский физик А. Майкельсон поставил опыт, который доказывал независимость скорости света от движения Земли. Результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению с помощью понятий классической механики.

Расширение представлений о пространстве и времени связано с распространением принципа относительности Галилея на системы отсчета, которые движутся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно под действием инерции (инерциальные системы отсчета) со скоростями, сопоставимыми со скоростью света. Для таких систем X. Лоренц предложил преобразования, носящие его имя. При малых скоростях преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, но если скорость сопоставима со скоростью света, то проявляются существенные отличия от нерелятивистской картины пространства-времени:

· события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой; меняется и закон преобразования скоростей;

· пространственные и временные промежутки не остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой с некоторой скоростью.

Важный шаг в понимании сущности пространства и времени связан с созданием Эйнштейном (1905) специальной теории относительности. Он показал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными оказывались и "длина", и "промежуток времени" между событиями, и даже "одновременность" событий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира и составивших основу обобщенного принципа относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения источника.

В рамках общей теории относительности Эйнштейна считается, что структура пространства-времени определяется распределением масс материи. В классической механике принимается, что если бы вдруг все материальные вещи исчезли, то пространство и время остались бы. Согласно теории относительности, пространство и время исчезли бы вместе с этими вещами. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, что их нужно объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи – пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. Но все же пространство и время, наряду с всеобщими характеристиками, имеют такие общие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени. Это и дает возможность рассматривать их как разные атрибуты материи.

Достаточно давно в науке обсуждается возможность существования не только трехмерного, но и многомерного пространства. Физики и математики иногда используют понятие n-мерного пространства. В частности, этого требуют теории Великого объединения и Суперобъединения. Но все же эти измерения – не более чем абстракция. Даже существование четвертого измерения невозможно представить реально. Чтобы пояснить это, проведем аналогию. Представим себе существование двухмерного мира – Плоской страны, которая для нас выглядит, как детский рисунок. Если мы, трехмерные существа, попадем в этот мир, его обитатели не смогут увидеть нас полностью, они заметят лишь срезы тех частей нашего тела, которые будут проходить через плоскость этого мира. Поэтому, даже если и существует мир четырех измерений, а его обитатели посещают наш мир, мы замечаем лишь проекции их тел – странные объекты, не поддающиеся описанию известными нам физическими законами. Поэтому, единственное четвертое измерение, доступное нам, – это время, неразрывно связанное с пространством в едином четырехмерном пространственно-временном континууме

24

В древности термин «кибернетика» использовался Платоном в контексте «исследования самоуправления» в «Законах», для обозначения управления людьми. Слово «cybernétique» использовалось практически в современном значении в 1830 году французским физиком и систематизатором наук Андре Ампером (1775—1836), для обозначения науки управления в его системе классификации человеческого знания:

Первая искусственная автоматическая регулирующая система, водяные часы, была изобретена древнегреческим механиком Ктезибием. В его водяных часах вода вытекала из источника, такого как стабилизирующий бак, в бассейн, затем из бассейна — на механизмы часов. Устройство Ктезибия использовало конусовидный поток для контроля уровня воды в своём резервуаре и регулировки скорости потока воды соответственно, чтобы поддержать постоянный уровень воды в резервуаре, так, чтобы он не был ни переполнен, ни осушен. Это было первым искусственным действительно автоматическим саморегулирующимся устройством, которое не требовало никакого внешнего вмешательства между обратной связью и управляющими механизмами. Хотя они, естественно, не ссылались на это понятие как на науку кибернетику, и считали это областью инженерного дела. Ктезибий и другие мастера древности, такие как Герон Александрийский или китайский учёный Су Сун, считаются одними из первых, изучавших кибернетические принципы. Исследование механизмов в машинах с корректирующей обратной связью датируется ещё концом XVIII века, когда паровой двигатель Джеймса Уатта был оборудован управляющим устройством, центробежным регулятором обратной связи для того, чтобы управлять скоростью двигателя. А.Уоллес описал обратную связь как «необходимую для принципа эволюции» в его известной работе 1858 года. В 1868 году великий физик Дж. Максвелл опубликовал теоретическую статью по управляющим устройствам, одним из первых рассмотрел и усовершенствовал принципы саморегулирующихся устройств. Я.Икскюль применил механизм обратной связи в своей модели функционального цикла (Funktionskreis) для объяснения поведения животных.

1.2 XX век

Современная кибернетика началась в 1940-х как междисциплинарная область исследования, объединяющая системы управления, теории электрических цепей, машиностроение, логическое моделирование, эволюционную биологию, неврологию. Системы электронного управления берут начало с работы инженера Bell Labs Гарольда Блэка в 1927 году по использованию отрицательной обратной связи, для управления усилителями. Идеи также имеют отношения к биологической работе Людвига фон Берталанфи в общей теории систем.

Ранние применения отрицательной обратной связи в электронных схемах включали управление артиллерийскими установками и радарными антеннами во время Второй мировой войны. Джей Форрестер, аспирант в Лаборатории Сервомеханизмов в Массачусетском технологическом институте, работавший во время Второй мировой войны с Гордоном С. Брауном над совершенствованием систем электронного управления для американского флота, позже применил эти идеи к общественным организациям, таким как корпорации и города как первоначальный организатор Школы индустриального управления Массачусетского технологического института в MIT Sloan School of Management. Также Форрестер известен как основатель системной динамики.

Многочисленные работы появились в смежных областях. В 1935 году российский физиолог П. К. Анохин издал книгу, в которой было изучено понятие обратной связи («обратная афферентация»). Исследования продолжались, в особенности в области математического моделирования регулирующих процессов, и две ключевые статьи были опубликованы в 1943 году. Этими работами были «Поведение, цель и телеология» А.Розенблюта, Норберта Винера и Дж.Бигелоу и работа «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности» У. Мак-Каллока и У. Питтса.

Кибернетика как научная дисциплина была основана на работах Винера, Мак-Каллока и других, таких как У. Р. Эшби и У. Г. Уолтер.

Уолтер был одним из первых, кто построил автономные роботы в помощь исследованию поведения животных. Наряду с Великобританией и США, важным географическим местоположением ранней кибернетики была Франция.

Весной 1947 года Винер был приглашён на конгресс по гармоническому анализу, проведённому в Нанси, Франция. Мероприятие было организовано группой математиков Николя Бурбаки, где большую роль сыграл математик Ш. Мандельбройт.

Во время этого пребывания во Франции Винер получил предложение написать сочинение на тему объединения этой части прикладной математики, которая найдена в исследовании броуновского движения (т. н. винеровский процесс) и в теории телекоммуникаций. Следующим летом, уже в Соединённых Штатах, он использовал термин «кибернетика» как заглавие научной теории. Это название было призвано описать изучение «целенаправленных механизмов» и было популяризировано в книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (Hermann & Cie, Париж, 1948).

В начале 1940-х Джон фон Нейман, более известный работами по математике и информатике, внёс уникальное и необычное дополнение в мир кибернетики: понятие клеточного автомата и «универсального конструктора» (самовоспроизводящегося клеточного автомата). Результатом этих обманчиво простых мысленных экспериментов стало точное понятие самовоспроизведения, которое кибернетика приняла как основное понятие. Понятие, что те же самые свойства генетического воспроизводства относились к социальному миру, живым клеткам и даже компьютерным вирусам, является дальнейшим доказательством универсальности кибернетических исследований.

Винер популяризировал социальные значения кибернетики, проведя аналогии между автоматическими системами (такими как регулируемый паровой двигатель) и человеческими институтами в его бестселлере «Кибернетика и общество» (The Human Use of Human Beings: Cybernetics and Society Houghton-Mifflin, 1950).

Одним из главных центров исследований в те времена была Биологическая компьютерная лаборатория в Иллинойском университете, которой в течение почти 20 лет, начиная с 1958 года, руководил Х. Фёрстер.