Вопрос 4. Концепции пространства и времени в современном естествознании.

Пространство и время – атрибуты материи, это формы ее существования.

Какими же основными общими свойствами обладают пространство и время?

1. Пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей.

2. Пространство и время являются универсальными, всеобщими формами бытия материи.

Нет событий, явлений, предметов, которые бы существовали вне времени и вне пространства.

Примечание: во многих современных учебниках по КСЕ даются именно такие свойства и пространства, и времени, которые исторически принадлежат еще классическому (Ньютоновскому) этапу развития естествознания) Сегодня следует понимать, что такие свойства пространства, как однородность, изотропность, обратимость, относятся лишь к так называемому «пустому пространству» Ньютона, когда предполагалось возможное существование пространства отдельно от вещей, процессов и явлений.

Специфические свойства пространства

Однородность – все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, – нет выделенных точек пространства, параллельный перенос замкнутых систем тел не изменяет вид законов природы.

• Изотропность – все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, – нет выделенных направлений, и поворот замкнутой системы пространства на любой угол сохраняет неизменными законы природы.

• Непрерывность – между двумя различными точками в пространстве, как бы близко они не находились, всегда есть третья.

• Обратимость – возможность возвращения в любую точку пространства замкнутой системы, пока она существует, – неограниченное число раз.

• Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу другого элемента, либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи.

Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям.

• Трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат. Три измерения (длина, ширина и высота) являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействия материальных объектов.

Специфические свойства времени

• Однородность – любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково.

• Непрерывность – между двумя моментами времени, как бы близко они не располагались, всегда можно выделить третий.

• Однонаправленность или необратимость – означает однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них.

• Длительность существования – выступает как единство прерывного и непрерывного.

• Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Для определения времени достаточно одной координаты.

Пространство и время в свете теории относительности А. Эйнштейна

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г., стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем.

E = mc²

Свойства пространства и времени не абсолютны, они носят относительный характер и зависят от массы материи (m) и скорости ее движения (с)

Так, длина космического корабля в полете уменьшается в два раза по сравнению с тем же кораблем, находящимся в покое, при возвращении корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как и была при отлете.

Во времени подобный эффект еще более заметен. В частности, известный парадокс близнецов. После путешествия одного из близнецов на ракете, летевшей со скоростью, близкой к скорости света, он с удивлением увидит, что его брат на Земле стал старше его. Можно точно рассчитать данные любого полета. Представим себе, что с Земли стартовал космический корабль со скоростью 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Но согласно теории относительности по часам корабля этот полет продолжался бы всего лишь год. Если космонавт, отправившись в полет в возрасте 25 лет оставил на Земле только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын будет приветствовать 26-летнего отца.

Теория относительности доказала, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, в системе отсчета корабля время по отношению к Земле другое.

Общая теория относительности (или релятивистская теория тяготения) установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях.

В очень сильном поле тяготения может произойти полная остановка времени. Со светом, испускаемым Солнцем, это могло бы случиться, если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700000 км). Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы.

Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота (например, замедление времени вблизи черной дыры).

Когда А. Эйнштейна спросили, в чем суть его теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

Эйнштейн соединил материю, движение, пространство и время в единый пространственно-временной КОНТИНУУМ.

Примечание. В четырехмерном пространственно-временном континууме пространство есть процесс длительности вещи в длину, высоту, ширину, и время есть длительность вещи от начала ее до конца. Длительность сосуществующих и сменяющих друг друга процессов позволяют сохранить все, что происходит в мире (то есть удержать новизну, дифференцированность). Время и пространство есть форма бытия.