4. Наименование темы: «Пространство и время в современной научной картине мира», лекция, отведен 1 час.

4.1. Развитие взглядов на пространство и время в истории научного познания.

4.2. Пространство и время в свете теории относительности А. Эйнштейна.

4.3. Свойства пространства и времени.

4.1. Развитие взглядов на пространство и время в истории научного познания.

Описание любых явлений в мире начинается с установления пространственных и временных характеристик. Построение картины мира невозможно без установления расстояний, длин, длительностей, частот, размерностей и т.п. поэтому уже античные мыслители придавали особое значение разработке понятий «пространство» и «время». Демокрит (V – IV в. до н.э.) допускал, что пространство можно отождествлять с пустотой, иначе невозможно движение тел. Эмпедокл (V в. до н.э.) возражал, подчёркивая, что рыба, перемещающаяся в воде, не нуждается в пустоте. Евклид в III в. до н.э. связал пространство с геометрическими представлениями, придал математический смысл пространственным и временным характеристикам, ввёл понятие их однородности, а для пространства – и бесконечности. Используя идеи Евклида, Птолемей во II в. н.э. разработал геоцентрическую систему мира, в которой время было бесконечным, а пространство – конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

В XVI в. Коперник коренным образом изменил картину мира, показав, что в пространстве Вселенной нет «центра вращения». Идея однородного пространства и равномерно текущего времени была распространена на весь мир. Бруно в XVI в. отождествил бесконечность пространства и времени с бесконечностью Вселенной. Но подлинное теоретическое, математическое и эмпирическое понимание сущности пространства и времени разработал Галилей (XVII в.). В механике он пользовался точными математическими формулами и экспериментальной проверкой

Г.Галилей расчётов пространственно-временных характеристик движущихся тел. Он разработал принцип относительности. Пространственные характеристики и время инвариантны (неизменны) для систем, движущихся равномерно и прямолинейно или находящихся в покое, то есть для инерциальных систем. Признание им существования пустоты помогло ему объяснить равные скорости падения разных тел и сформулировать принцип инерции Принципы

относительности и инерции описывают у Галилея свойства пространства Вселенной, для чего он использовал представление об инерциальных круговых движениях.

Принципы Галилея верны для макрообъектов и небольших скоростей. Декарт в XVII в. нашёл пути к объединению физики и геометрии, изобрёл известную систему координат, в которой время могло быть представлено как одна из осей наряду с пространственными осями x, y и z. Отрицая существование пустоты, он отождествил свойства материальности напряжённости, ввёл принцип близкодействия, пришёл к идее материальности пространства, а сущность времени трактовал как длительность материальных событий. При этом Декарт развивал представление

Р.Декарт о прямолинейном инерциальном движении. В итоге утвердилась концепция физической природы пространства и времени.

Ньютон, объединив идею пустого пространства и прямолинейного инерциального движения, построил в XVII в. ставшую потом классической механистическую картину мира. Центральным ней стал закон всемирного тяготения.

Дальнодействующая сила тяготения всеобща и универсальна. Она пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния. Тяготение обеспечивает внутреннюю целостность бесконечной Вселенной, в которой существует множество равноправных центров гравитации. Вселенная бесконечна в пространстве, которое описывается геометрией Евклида. Пространство и время абсолютны в том смысле, что они как самостоятельные сущности (субстанции), могут существовать независимо от материальных тел и даже тогда, когда такие тела отсутствуют.

Это субстанционное понимание (Демокрит – И.Ньютон), которое надолго закрыло реляционный (от лат. – «относительный») подход. Сущность пространства и времени Ньютон определяет через слово «вместилище»тел. С одной стороны, это порядок сосуществования, а с другой – порядок последовательности. Абсолютность пространства и времени выражается абстрактно или математически. Относительное пространство и время выражается чувственно, они измеряются в каких-то единицах – метрах, секундах и т.п.

Таким образом, познание пространства и времени возможно как на теоретическом, так и на эмпирическом уровне. Механика, математика, геометрия имеют дело с абсолютным пространством и временем. Ньютоновское понимание пространства и времени сыграло положительную роль в развитии науки тем, что позволило разработать абстрактно-математический аппарат для исчисления пространственных и временных отношений и зависимостей в макромире. Однако, допущение существования пространства и времени вне материи закрыло дорогу к пониманию физической их природы, зависимости свойств пространства и времени от материальных явлений и процессов.

Но ещё Аристотель в IV в. до н.э. отмечал, что «природа не терпит пустоты». Эту мысль продолжил в XVII в. Г.Лейбниц, который подверг критике ньютоновское учение о пространстве и времени. Пространство и время не могут существовать как абсолютные сущности, независимые от материи. Где нет материи, нет и пространства, и времени. Лейбниц настаивал на том, что и пространство, и время – это системы отношений между объектами, которые можно фиксировать различными способами и измерениями. Поэтому его учение о пространстве и времени позже стали называть реляционной концепцией.

В определённом смысле Лейбниц может рассматриваться как предшественник Эйнштейна, после которого утвердилось релятивистское понимание пространства и времени. Однако авторитет Ньютона и его механики, позволявшей удивительно точно производить расчёты положений небесных тел в прошлом, настоящем и будущем, не позволили идеям Лейбница утвердиться в науке вплоть до начала XX в. Поэтому классическая картина мира сложилась на базе ньютоновских идей и принципов.

Пространство рассматривалось как бесконечная, идеальная плоскость, допускающая линейные характеристики и исчисления. Такое пространство описывается геометрией Евклида. Для материальных тел оно выступает как абсолютная пустота, оно однородно и изотропно, что означает: все точки и направления пространства инвариантны (одинаковы) для действия законов механики. То есть во всех точках и направлениях пространства действуют одни и те же законы классической механики. Реальное пространство трёхмерно, что фиксируется декартовской системой координат.

Время одномерно, оно также абсолютно и однородно. Это чистая длительность, независимая от физического содержания событий во Вселенной.равномерность течения времени позволяет синхронно фиксировать события в любом участке бесконечной Вселенной и независимо от системы отсчёта. А в таких пространственно-временных представлениях стало возможным введение принципа дальнодействия, согласно которому гравитация, распространяясь прямолинейно и с бесконечной скоростью, связывает в каждый момент времени «всё со всем». Как подчёркивал Ньютон, пространство и время – «чувствилища» Бога. Теория Ньютона хорошо описывала движение макротел с конечным числом степеней свободы, с небольшой массой и скоростью, с механическими характеристиками.

Но во второй половине XIX в. Максвелл и Томсон установили, что в электромагнитных процессах силы действуют с конечной скоростью и не могут быть выше скорости света, что они действуют не прямолинейно и зависят от скорости.

Стало очевидно, что классическая механика даёт неполное описание мира, класс электромагнитных явлений из неё «выпадает». Существуют силы негравитационного характера, а их распространение имеет волновую природу. В научные представления вошло понятие поля, которое потребовало введения принципа близкодействия. Поле существует в пространстве между объектами, но уже из микромира. Электромагнитное поле можно описать уравнениями, в которых обнаруживается зависимость величин, характеризующих электрические и магнитные его составляющие, с распределением в пространстве и времени зарядов и токов. Было сделано предположение, что волны электромагнитного поля распространяются через «эфир».

О днако, когда американский физик А.Майкельсон, используя изобретённый им прибор – интер-ферометр, провёл в 1881 г. опыт по проверке гипотезы «эфир-ного ветра», то обнаружил, что движение Земли никак не влияет на распространение

Опыт Майкельсона. света, то есть

неподвижный эфир не существует. Опыты Майкельсона, окончательно установившие независимость скорости света от скоростей перемещения источника и наблюдателя, невозможно было объяснить с точки зрения классической механики.

Выход попытался найти Х.А.Лоренц, который через математические преобразования показал, что пространственные и временные характеристики систем зависят от скорости и изменяются при скоростях, близких к скорости света. А.Эйнштейн, опираясь на преобразования Лоренца, дал им другую интерпретацию и показал, что многие характеристики пространства и времени, например, такие, как «длина» или «одновременность» относительны, что потребовало разработки новой теории, глубоко изменившей представления о пространстве и времени.