3.2. Представления о пространстве и времени

Все, что нас окружает, имеет пространственно-временное измерение, так как для описания любого объекта необходимо знать его количественные характеристики, связанные с измерением длин и длительностей. Для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.

В обыденном представлении пространство и время – нечто привычное, известное и очевидное. Пространство обычно понимается как некая протяженная пустота, в которой могут находиться какие-либо предметы, а время – как поток событий, длительность бытия, последовательность существования. Эти понятия складываются у человека с детства на основе наблюдения и практического использования окружающих предметов. Достаточно быстро человек осознаёт, что пространство и время очень тесно взаимосвязаны друг с другом: ведь время можно измерять расстоянием (мерой пространства), а расстояние – мерой времени. Тем не менее, вопрос о природе времени до сих пор остаётся одним из самых сложных и загадочных для человека. Вспомним слова Августина Блаженного: «Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься, – и вот я уже не знаю, что есть время».

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. До начала ХХ в. они мало чем отличались от обыденных. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, хотя их рассуждения носили стихийный, нередко противоречивый характер. Для Демокрита пространство ассоциировалось с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов, это вместилище материальных тел. Другие древнегреческие философы не признавали существования пустоты и связывали пространство с материальными телами, характеристикой которых оно являлось.

Строгое теоретическое описание пространства и времени появилось в Новое время (XVII-XVIII вв.). Декарт ввёл в науку координатную систему, в которой состояние материального тела описывалось с помощью трех пространственных и одной временной координаты. Он же первым стал отождествлять пространство с протяжённостью материальных объектов, отрицая существование пустого пространства. Время Декарт связывал с длительностью материальных процессов, с осознанием человеком этой длительности.

Ньютон попытался объединить существующие в науке точки зрения на пространство и время. Он ввёл в науку господствовавшие до начала ХХ в. представления об абсолютном и относительном пространстве и времени. Абсолютные пространство и время понимались как внешние, независимые от материи условия бытия, которые сохранились бы даже при исчезновении материи. Абсолютное пространство – универсальное вместилище всего существующего в мире, всегда одинаковое и неподвижное (гигантский «черный ящик».) Абсолютное время – относительная длительность любых процессов во Вселенной (образ гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких тел). Относительные пространство и время – постигаемые чувствами протяжённость объектов и длительность событий.

Разграничение абсолютного и относительного пространства и времени, произведённое Ньютоном, связано со спецификой человеческого познания, которое происходит на двух уровнях – теоретическом и эмпирическом. На эмпирическом уровне человек воспринимает пространство и время через органы чувств – субъективно и поэтому «относительно». На теоретическом уровне, обобщая, человеческий разум пытается представить пространство и время как универсальные и независимые – абсолютные категории.

Абсолютное пространство и время Ньютона предстают в качестве совершенно самостоятельных, независимых от материальных процессов элементов бытия, как универсальные условия, в которые помещена материя. Правда, Ньютон считал, что материя, пространство и время подвластны Богу, который является единственной подлинной реальностью.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний соперник Ньютона – немецкий математик и философ Г. Лейбниц. Он считал, что пространство и время не могут существовать самостоятельно, независимо от материи. Но его взгляды не пользовались успехом. Утвердились взгляды Ньютона: пространство – абсолютное, бесконечное, плоское, пустое, однородное и изотропное; время – абсолютное, однородное и равномерное.

Существовали и другие концепции пространства и времени, которые ставили их в зависимость от человеческого сознания. Известные философы и учёные Дж. Беркли, Э. Мах, Р. Авенариус (так называемые субъективные идеалисты) выводили пространство и время из способности человека переживать и упорядочивать события. И. Кант рассматривал пространство и время как априорные формы чувственного созерцания, вечные категории сознания.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, в которой пространство и время стали рассматриваться как атрибуты материи, определяющиеся её свойствами.

Теория относительности стала результатом обобщения классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины ХIХ в. возникли серьёзные противоречия, касающиеся, в частности, механизма распространения света. В механике господствовал принцип относительности Галилея (все механические явления в различных инерциальных системах отсчета протекают одинаково), утверждавший равноправность всех систем отчёта, а в электродинамике – концепция эфира, являющегося абсолютной системой координат, выделяемой перед всеми другими. Не удавалось объяснить с позиций классической механики, почему скорость света имеет постоянную величину, не зависящую от скорости движения источника света. Нидерландский физик Х.А. Лоренц предложил гипотезу о сокращении размеров всех тел в направлении движения. Эйнштейн следующим образом интерпретировал преобразования Лоренца: он показал, что они описывают не реальные изменения размеров тел, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. От концепции абсолютного пространства и времени пришлось отказаться.

Специальная теория относительности (СТО) основывалась на двух постулатах: 1) расширенный принцип относительности: все физические явления происходят одинаково в инерционных системах отсчёта; 2)скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости движения источника и приемника света. Из СТО следовали выводы: относительны не только скорость и движение тел, но и их пространственно-временные характеристики, они зависят от скорости движения тел. Не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как и абсолютного времени. Пространство и время имеют относительный характер, и результаты их измерения зависят от того, в какой системе отсчета они измеряются. При движении с большими скоростями линейные размеры тел сокращаются, а масса и время протекания процессов увеличиваются. Эти изменения становятся заметными при скоростях, сравнимых со скоростью света. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый четырехмерный континуум, включающий три пространственных и одну временную координату.

Из общей теории относительности (ОТО), описывающей движение тел в поле действия каких-либо сил, следовало, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тела происходит не только при движении с большими скоростями, но и в гравитационных полях. Под действием гравитации происходит искривление пространства–времени. Так, Земля создаёт вокруг себя искривлённое пространство – время, которое называется полем тяготения.

• Оказывается… в 1996 г. рукопись Эйнштейна по специальной теории относительности была продана за 5 млн долларов.

Представления о пространстве и времени, сформулированные в рамках теории относительности, являются на сегодняшний день наиболее последовательными. Но развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о пространстве и времени. Уже сейчас некоторые учёные говорят о возможности существования кванта пространства и кванта времени.