Тема 4. Пространство и время в современной науке
4.1. Принципы дальнодействия и близкодействия
Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Одни из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции – Парменид и Зенон. Другие философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует, как и атомы, и необходима для их перемещений и соединений.
В естествознании до XVI века господствовала геоцентрическая система Птоломея. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим в себя равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли. Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, представленной Коперником. Признав подвижность Земли, он отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности как центра Вселенной и тем самым направил движение научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства. Эта мысль получила развитие в философии Джордано Бруно, который сделал вывод о бесконечности Вселенной и отсутствии у нее центра.
Важную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый Галилеем принцип инерции. Согласно этому принципу все физические (механические ) явления происходят одинаково во всех системах, движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скорости.
Дальнейшее развитие представления о пространстве и времени связано с физикокосмической картиной мира Р. Декарта. В ее основу он положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц. Само же воздействие Декарт представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия.
Новая физическая картина мира была представлена в классической механике И. Ньютона. Он нарисовал стройную картину планетной системы, дал строгую количественную теорию движения планет. Вершиной его механики стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы - закон всемирного тяготения. Согласно этому закону, любые два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Этот закон выражается следующей формулой:
,
где k – гравитационная постоянная; m1, m2 – тяготеющие массы; r – расстояние между ними.
Данный закон ничего не говорит о зависимости силы тяготения от времени. Сила тяготения чисто математически может быть названа дальнодействующей, она мгновенно связывает взаимодействующие тела и для ее вычисления не требуется никаких допущений о среде, передающей взаимодействие.
Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная — бесконечна. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов – центров гравитации. В рамках ньютоновской модели Вселенной утвердилось представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения. Последовавшее во второй половине XVIII века открытие основных законов электро- и магнитостатики, аналогичных по математической форме закону всемирного тяготения еще более утвердило в сознании ученых идею дальнодействующих сил, зависящих только от расстояния, но не от времени.
Поворот в сторону идей близкодействия связан с идеями Фарадея и Масквелла, которые разработали концепцию электромагнитного поля как самостоятельной физической реальности. Исходным при этом было признание близкодействия и конечной скорости передачи любых взаимодействий.
Вывод о том, что волновое электромагнитное поле отрывается от разряда и может самостоятельно существовать и распространяться в пространстве, казался абсурдным. Сам Максвелл упорно стремился вывести свои уравнения из механических свойств эфира. Но когда Герц экспериментально обнаружил существование электромагнитных волн, это было воспринято как решающее доказательство справедливости теории Максвелла. Место мгновенного дальнодействия заняло передающееся с конечной скоростью близкодействие.