2.3. Пространство, время, движение.

Проблема единства движения

В широком смысле понятие движение используется для обозначения любых изменений, происходящих с объектами. Различным уровням организации материи соответствуют свои характерные формы движения как специфические типы изменений состояний качественно сходных объектов. По характеру объектов можно выделить следующие формы движения: физическое, химическое, биологическое.

Рис.2.10.

Высшие или более сложные формы движения включают в себя более простые и иногда могут быть сведены к их совокупностям. Например, передача возбуждения между нервными клетками организма представляет собой импульсы токов и напряжений, распространяющихся по нейронам, а последние обусловлены движением положительно заряженных ионов Na и K.

Тем не менее, форм движения невозможно расположить в простой линейный ряд по степени сложности. Хотя все нефизические формы движения материи структурно связаны с физической формой движения, первые не могут быть сведены к последней. Последнее не устраняет задачу поиска единства в природе. Для того, чтобы создать единую систему природы, нужно открыть глубинные связующие звенья между различными уровнями организации материи. В этом смысле проблема движения предстает как проблема поиска глубинных связей и отношений между различными областями природы.

Развитие представлений о движении

Аристотель в IV в. до н. э. разработал первую историческую форму учения о движении – механику. Все механические движения он разбивает на две большие группы: движения небесных тел в надлунном мире и движения тел в подлунном, земном мире. Движение небесных тел – наиболее совершенно движение. Оно представляет собой равномерное вращательное круговое движение. Совершенство кругового движения в том, что у него нет ни начала, ни конца; оно вечно и неизменно. В отличие от небесных движений земные движения несовершенны: они имеют начало и конец. Движения земных тел в свою очередь можно разделить на две категории: насильственные и естественные. Естественное движение – это движение тела к своему месту, например, тяжелого тела вниз, а легкого – вверх. Тела, состоящие из элементов земли, стремятся вниз, а тела, образованные из воздуха или огня, - вверх. Естественное движение происходит само собой, оно не требует приложения силы. Все остальные движения на Земле – насильственные и требуют применения силы. Из этого следует, что в условиях земного мира покой абсолютен, а движение насильственно.

Рис.2.11.

Заблуждения Аристотеля были полностью преодолены только в XVI- XVII вв. Первый закон Ньютона гласит: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока действующие на него силы, не изменят это состояние. Ньютон также сформулировал закон всемирного тяготения: между любыми телами возникает сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Философское значение этого закона состоит в его универсальности. Закон показывает, что сила тяжести, действующая на Земле, и сила, управляющая движением планет вокруг Солнца – это одна и та же сила.

В XX в. теория относительности обосновала закон количественной пропорциональности массы и энергии. Этот закон выражает связь двух важнейших свойств материальных объектов – массы, как меры инерции тел, и энергии, как меры движения. Превращение частиц вещества (электронов и позитронов) в частицы электромагнитного поля (фотоны) и обратное превращение фотонов в электроны и позитроны показывают превращение друг в друга различных видов движущейся материи – вещества в поле, в первом случае, и поля в вещество – во втором.

В настоящее время в физике принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые ядерные. Перечисленные типы взаимодействий весьма несхожи друг с другом по проявлениям (гравитационные взаимодействия проявляются только как силы притяжения, а электромагнитные и как силы притяжения, и как силы отталкивания) и с сегодняшней точки зрения обусловлены существенно различными механизмами.

Рис.2.12.

Существует точка зрения, что все четыре взаимодействия представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое описание. Проблема создания единой теории мира физических элементов (на основе одного-единственного фундаментального взаимодействия) имеет уже почти вековую историю, однако эта проблема до сих про не решена.

Проблема единства природы предполагает также вопрос о связи живого и неживого: может ли живое возникнуть из неживого, органическое из неорганического под влиянием естественных факторов? В настоящее время доказана единая природа неорганических и органических веществ. В середине XX в. в результате ряда экспериментов из смеси газов (аммиак, метан, водород и др.) под воздействием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, которые являются материалом для образования белковой молекулы. Тем не менее, возможность самозарождения жизни пока остается недоказанной.

Пространство и время

Пространство и время – общие формы существования материи, а именно формы координации материальных объектов и явлений. Всеобщий характер пространственных и временных отношений определяется тем, что последние являются формами бытия любых дифференцированных объектов и процессов. Пространство и время не могут существовать вне материи и независимо от нее.

Отличие этих форм друг от друга состоит в том, что пространство есть всеобщая форма сосуществования тел, время – всеобщая форма смены явлений.

Единство форм пространства и времени проявляется в движении материи. Современная физика обнаружила единство пространства и времени, выражающееся в совместном закономерном изменении пространственно-временных характеристик систем при изменении движения последних, а также зависимость этих величин от концентрации массы в окружающей среде.

Основные концепции пространства и времени

Н

Рис.2.13.

а протяжении почти всей истории естествознания и философии существовали две основные концепции пространства и времени: субстанциональная и реляционная.

Согласно субстанциональной концепции – пространство и время субстанции, которые существуют независимо от вещества.

Согласно реляционной концепции – пространство и время не существуют независимо от вещества.

Первая концепция идет от древних атомистов – Демокрита и Эпикура, которые ввели понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное. В период Возрождения Бруно выступил с идеей бесконечного пространства. Он критиковал представления о конечности Вселенной, берущее свое начало в воззрениях Аристотеля. Что представляет собой пустота, спрашивает он, которая, находящаяся по ту сторону ограничивающего мир эфира? Ведь всегда и везде, где бы ни проводили границу, должно быть за нею опять пространство.

В Новое время эту концепцию развил Ньютон. В обосновании классической механики большую роль играли введенные Ньютоном понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство – это чистое и неподвижное вместилище тел; абсолютное время – чистая длительность, абсолютная равномерность событий. Ньютон считал, что вполне возможно допустить существование мира, в котором есть только одно абсолютное пространство и нет ни материи, ни абсолютного времени; либо же существование мира, в котором есть пространство и время, но нет материи; либо же существование мира, в котором есть только время, но нет ни пространства, ни материи.

Таким образом, по мнению Ньютона, абсолютное пространство и абсолютное время – это реальные физические характеристики мира, но они не даны непосредственно органам чувств, и их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции.

Концепция пространства и времени, разработанная Ньютоном, была господствующей в естествознании на протяжении XVII-XIX вв., так как она опиралась на науку того времени – евклидову геометрию и классическую механику. Знаменитый опыт Майкельсона, ставящей своей целью обнаружить неподвижный эфир как абсолютную систему отсчета, методологически основывался на ньютонианских представлениях.

Противоположная, реляционная концепция пространства и времени рассматривает пространство и время как свойства материальных объектов. Такой взгляд на пространство и время в античности был сформулирован Аристотелем. Пространство, по Аристотелю, есть совокупность мест тел, а время – «число движений». Большой вклад в осознание проблемы времени внес средневековый теолог Августин. Размышляя об отношении времени к бытию и о начале времени, Августин задался следующим вопросом: если бог сотворил мир в определенное время, то что он делал до момента творения и почему не сотворил мир раньше? Отвечая на вопрос, Августин говорил, что время является чем-то существующим только вместе с миром. Время есть характеристика изменений, происходящих в вещах. Поэтому если бы вещей, то не было бы и времени. Вечность же бога исключают его из времени, и говорить в отношении него о «до» и «после» бессмысленно.

В Новое время идеи относительности времени развивал Лейбниц. Особенность лейбницевой концепции пространства и времени состоит в том, что в ней отвергается представление о пространстве и времени как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от нее. По Лейбницу, пространство – это порядок взаимного расположения множества индивидуальных тел, существующих независимо друг друга, время – порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел.

Развитие представлений о свойствах пространстве и времени в математике и физике в XIX-XX вв.

Рис.2.14.

Проблема геометрических свойств пространства – особая проблема, объединяющая физику и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами евклидового пространства. Для многих это была само собой разумеющаяся истина. «Здравый смысл» был философски воплощен Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменные априорные «формы чувственного сознания». Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, являются единственно мыслимыми.

Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был поставлен в связи с открытием неевклидовой геометрии. В начале XIX в. Гаусс высказал мысль, что представления о свойствах пространства не являются априорными, а имеют опытное происхождение. Риман описал искривленное пространство, в котором нет прямых линий, а свойства геометрических фигур другие, чем на плоскости. Прямая заменена здесь линиями, которые являются кратчайшими расстояниями между точками. Например, хотя в рамках евклидовой геометрии сумма углов треугольника равна 180°, но вполне мыслима ситуация, в которой сумма углов этой фигуры может отличаться от 180°. Чтобы в этом убедиться, достаточно представить треугольник на поверхности сферы, все углы которого прямые.

Проблема необратимости времени

Рис.2.15.

Существование однонаправленных, т.е. необратимых процессов в мире не вызывает сомнения. К ним относится установление равновесной температуры при тепловом контакте горячих и холодных тел, перемешивание первоначально разделенных газов в результате диффузии и многое другое. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, сводящей тепловые макроскопические процессы к механическим взаимодействиям на микроскопическом уровне, возникновение необратимости достаточно неожиданно, поскольку механические явления обратимы во времени. В частности, это, например, означает, что заснятые при большом увеличении на кинопленку столкновение и разлет двух молекул будут выглядеть на экране вполне правдоподобно, независимо от того, в каком направлении «прокручивается кино». Если же на пленку снят процесс диффузии газов так, что движение отдельных молекул неразличимо, а система наблюдается в целом как макроскопическая, выбор правильного направления движения пленки не вызовет сомнения.

Проблема понимания механизма возникновения необратимости имеет большое значение. Наличие необратимых процессов определяет направленность течения времени. В мире, где существуют только обратимые процессы, по-видимому, было бы невозможно отличить прошлое от будущего.

Механизм возникновения необратимости легко понять на примере расчета интуитивно весьма маловероятного явления: образования вакуума в одной половине комнаты вследствие случайного перемещения всех хаотически движущихся молекул в другую половину. Очевидно, что вероятность нахождения одной молекулы в выбранной половине объема равна 0,5. Если движения молекул независимы, то вероятность всем N молекулам оказаться в этой половине равна произведению вероятностей для каждой молекулы. Таким образом, полный вакуум в половине комнаты возникает с вероятностью P = (0,5)^N. О том насколько мала это вероятность, можно говорить, сравнив ее с вероятностью повседневно наблюдаемого явления – равномерного распределения газа в двух половинах комнаты.

Приведенный пример позволяет сформулировать общий механизм возникновения необратимых макроскопических процессов.

Различные макроскопические состояния могут реализовываться различным числом отличающихся друг от друга микроскопических, переход между которыми не приводит к новым макросостояниям. Наиболее вероятными являются те макроскопические состояния, которым соответствует наибольшее число микроскопических.

Основные положения специальной и общей теории относительности

В классической физике полагали, что можно говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. В рамках специальной теории относительности Эйнштейн показал, что понятия одновременности событий, длительности временного промежутка и длины отрезка в действительности не носят абсолютный характер, а зависят от выбранной системы отсчета, из которой ведется наблюдение.

Предсказываемый релятивистской теорией эффект замедления времени состоит в том, что с точки зрения наблюдателя, движущегося относительно рассматриваемой системы, все интервалы времени, характеризующие процессы в этой системе, увеличиваются по сравнению с интервалами, наблюдаемыми в самой системе. Для находящегося в самой рассматриваемой системе наблюдателей происходящие в ней процессы протекают совершенно нормально. Время «течет замедленно» только с точки зрения движущегося наблюдателя.

Эффект сокращения расстояний состоит в уменьшении длин отрезков с точки зрения наблюдателя, перемещающегося вдоль этих отрезков. Отрезки, ориентированные перпендикулярно скорости относительного движения, сохраняют свою длину неизменной.

Описанные эффекты проявляются при скоростях, сравнимых со скоростью света, и в настоящее время экспериментально зарегистрированы в пучках ультрарелятивистских частиц, создаваемых на современных ускорителях. Например, короткоживущие частицы, двигаясь с околосветовой скоростью, вопреки классическим представлениям достигают приемника, удаленного на расстояние, значительно превышающего время их жизни. С точки зрения неподвижного наблюдателя это явление можно объяснить эффектом замедления времени, «удлиняющего» жизнь частицы, с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с частицей, - эффектом сокращения расстояния до мишени, «летящей навстречу».

Описанные релятивистские эффекты – относительность длительности и расстояния – зачастую подвергаются ошибочным толкованиям. Например, говорят, что движущийся предмет сокращается, и даже ставят вопрос об исследовании молекулярных сил, вызывающих такое сокращение. В действительности речь идет о другом. А именно: не существует абсолютной системы отсчета и как следствие оценка размеров объектов и временных процессов зависит от того, с точки зрения какой системе отсчета – движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта – проводятся измерения.

Согласно общей теории относительности, пространственные и временные характеристики определяются гравитационным полем, которое создается вещественными образованиями. Пространство не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точки и определяется полем тяготения, т.е. геометрия пространства не евклидова, а риманова.

Развитие

Развитие есть необратимое, направленное и закономерное изменение. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, которое выступает как изменение его состава или структуры. Развитие совпадает с движением к более развитому и совершенному состоянию или с движением в противоположном направлении. В этом смысле говорят о прогрессивном и регрессивном направлениях в развитии. (См. Тема 2.6.).

Прогресс – тип развития, для которого характерен переход от низшего к высшему, т. е. от менее к более организованному.

Р

Рис.2.16.

егресс – тип развития, для которого характерен переход от высшего к низшему, т. е. от более организованного к менее организованному.

Представление о том, что изменения в мире происходят в определенном направлении, возникло в глубокой древности. Идея развития первоначально разрабатывалась главным образом применительно к истории общества. В естественные науки идея развития проникла сравнительно недавно.

Регресс как тепловая смерь Вселенной

Рис.2.17.

Наш мир можно рассматривать как гигантскую термодинамическую систему, находящуюся в неравновесном состоянии: энергия сконцентрирована главным образом в горячих звездах и постепенно мигрирует в гораздо более холодное межзвездное пространство. Все имеющиеся двигатели, к которым могут быть отнесены и биологические объекты, оказываются работоспособными в конечном итоге за счет существования указанной глобальной неравновестности. Естественными являются вопрос о перспективах, связанных со стремлением глобальной системы к термодинамическому равновесию. Согласно второму началу термодинамики, термодинамические процессы необратимы (энергия передается от теплых тел к более холодным, но не наоборот) и поэтому ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять. Предполагаемое конечное равновесное состояние принято называть тепловой смертью Вселенной.

Данный сценарий развития событий справедлив лишь в том случае, если Вселенная представляет собой замкнутую систему (т.е. такую, которая не обменивается энергией со средой). Если весь окружающий мир действительно можно считать такой замкнутой системой, к которой применимы выводы термодинамики, при достижении равновесия он должен представлять собой однородный объект с постоянной температурой, плотностью вещества и излучения, в котором не будет возможным никакое направленное преобразование энергии.

На первый взгляд, способность живых существ к росту и развитию и сам факт биологической эволюции противоречит второму началу термодинамики. Реально это не так, поскольку биологические объекты являются открытыми системами (т.е. такими, которые обмениваются энергией со средой), для которых утверждение об обязательном стремлении к термодинамическому равновесию перестает выполняться. Живой организм способен не только развиваться, уменьшая свою энтропию (энтропия – «количественная мера беспорядка» в макроскопической системе; определяется числом микроскопических состояний, соответствующих данному макроскопическому), но и переводить внешние по отношению к нему подсистемы в более упорядоченное состояние. Например, человек вполне способен разделить смесь черных и белых шаров на две половины так, чтобы в каждой остались предметы одного цвета.

Однако переход к рассмотрению глобальной термодинамической замкнутой системы (например, герметически закрытого космического корабля, не получающего энергию от солнечных батарей или каких-либо других устройств), включающей в себя живой организм (человека), предмет его воздействия (смесь шаров) и обеспечивающие его жизнедеятельность объекты (запас кислорода и продуктов питания), показывает, что суммарная энтропия такой системы будет возрастать во времени (человек будет «сжигать» в своем организме запас энергии в виде продуктов питания и увеличивать температуру воздуха в корабле, обусловленное этим «возрастание беспорядка» окажется больше его уменьшения за счет упорядочивания размещения шаров). Рано или поздно описанная система придет в состояние термодинамического равновесия («тепловой смерти»), в котором дальнейшее функционирование организма окажется невозможным.

Аналогичным образом обстоит дело и с биологической эволюцией в целом. При этом в качестве замкнутой системы необходимо рассматривать весьма большой объем пространства: планета Земля замкнутой считаться не может, поскольку получает энергию от Солнца, а живые организмы, в принципе, имеют возможность выбрасывать отходы своей жизнедеятельности (в самом широком смысле этого понятия, включающего шлаки тепловых электростанций, использованное урановое топливо и т. д.) в открытый космос. Однако, очевидно, что если глобальная замкнутая система реально существует, для нее в целом должен выполняться закон возрастания энтропии, а наличие эволюции лишь увеличивает скорость этого возрастания: человечество, сжигая имеющиеся в природе запасы топлива, неминуемо рассеивает части ранее сконцентрированной энергии в окружающем пространстве, ускоряя тем самым релаксацию глобальной неравновестности.

Прогресс как самоорганизация

Долгое время существовало мнение о том, что способностью к самоорганизации обладают только биологические объекты и системы. После появления компьютеров, самообучающихся программ и возникновения робототехники стало очевидно, что искусственно создаваемые объекты неживой природы могут эволюционировать: сегодня трудно взять на себя смелость утверждать, что в ближайшее время не будут созданы программы компьютерных вирусов, имитирующие половое размножение, что совместно с уже имеющимися антивирусными программами приведет к возникновению ситуации, во многом сходной с естественным отбором. Уже сейчас существуют программы «мутирующих компьютерных вирусов»: через определенное число тактов процессора эти программы изменяют собственный код случайным образом на один бит. «Поселенные» в компьютер, такие вирусы начинают не только размножаться, но и эволюционировать. У выживших вирусов возникает «иммунитет» к антивирусным программам, со временем начинается борьба между вирусами за выживание в компьютере.

Недавно выяснилось, что способностью к самоорганизации могут обладать и объекты неживой природы, возникшие естественным путем, без участия человека. Примеры таких систем были обнаружены в физике (образование устойчивых вихрей в нестационарных потоках жидкостей и газов; возникновение упорядоченного излучения в лазерах; образование и рост кристаллов), химии (концентрационные колебания в реакции Белоусова - Жаботинского). Сходные по внешнему проявлению процессы имеются в биологии (морфогенез, колебание численности популяций), экономике (колебание занятости населения), политике и социологии (формирование общественного мнения) и т. д.

Рис.2.18.

Несмотря на внешнее разнообразие самоорганизующихся систем, все они имеют сходные особенности, носящие обязательный характер для возникновения феномена самоорганизации. Во-первых, самоорганизующиеся системы сложны (т. е. состоят из нескольких элементов или подсистем). Во-вторых, самоорганизующиеся системы нелинейны (описывающие их динамику математические уравнения нелинейны). В-третьих, самоорганизующиеся системы должны быть открытыми, т.е. должен существовать поток энергии, вещества и т. п. из внешних систем, поддерживающих самоорганизующуюся систему в термодинамически неравновесном состоянии. Изучение общих закономерностей самоорганизации и развития открытых неравновесных систем является предметом синергетики. Таким образом, главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможности возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.