О.Э. КОШЕЛЕВА, С.А. ШАХОВ РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ

О.Э. КОШЕЛЕВА, С.А. ШАХОВ

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Методические указания к семинарским занятиям по КСЕ

Новосибирск

2014

УДК 114/115 (076.5) К76

К о ш е л е в а О.Э., Ш а х о в С.А. Развитие представлений о пространстве и времени: Метод. указ. к семинарским занятиям по КСЕ. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2014. – 39 с.

Способствуют формированию у будущих специалистов целостного мировоззрения на основе современного представления о естественно-научной картине мира. Содержат вопросы для контроля знаний и тестовые задания.

Предназначены для студентов гуманитарных направлений подготовки вуза и аспирантов.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Химия».

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р д-р техн. наук, доц. С.А. Шахов

Р е ц е н з е н т завкафедрой «Философия и культурология»

канд. филос. наук, доц. Ю.Д. Мишин

© Сибирский государственный университет путей сообщения, 2014

© Кошелева О.Э., Шахов С.А., 2014

2

1.Эволюция представлений о пространстве и времени

вдоньютоновский период

Уже в античном мире мыслители задумывались над природой пространства и времени. Представители элейской школы в Древней Греции отрицали возможность существования пустого пространства, небытия. Врач и философ Эмпедокл поддерживал учение об отсутствии в мире пустоты, признавал реальность изменения и движения: рыба передвигается в воде, поэтому пустого пространства не существует. Однако другие ученые, в их числе Демокрит, полагали, что пустота существует наряду с материей, в ней происходит перемещение и соединение атомов.

Аристотель (384–322 гг. до н. э.) также отрицал пустое пространство: «Природа не терпит пустоты». С его именем связаны основные концепции пространства и времени: субстанциальная, рассматривавшая эти категории как самостоятельные сущности, первоначала мира, и реляционная, представлявшая собой учение о существовании материальных объектов. У Аристотеля нет категории пространства, но есть место, имеющее границу, следовательно, пространство конечно и ограничено. Созданная им космологическая модель функционировала в неоднородном конечном пространстве и имела два уровня: земной уровень состоял из четырех стихий (земли, воды, воздуха и огня), а небесный – из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении.

В доньютоновский период представления о пространстве и времени имели стихийный и противоречивый характер. Только в «Началах» древнегреческого математика Евклида (ок. 330–275 гг. до н. э.) пространственные характеристики объектов впервые обрели точную математическую форму. Зародилось геометрическое представление об однородном и бесконечном пространстве с идеальными объектами, которыми считались точка, прямая линия, плоскость и поверхность. На основании свойств линий и углов, а также объемов шара, пирамиды и других фигур Евклид сформулировал пять правил, доказанных на основе аксиом и постулатов. Положение материальной точки в пространстве он определял тремя координатами – широтой, долготой и высотой.

4

Гераклит (ок. 530–470 гг. до н. э.) сравнивал необратимость времени, увлекающего мир в непрерывное движение, с рекой: «В одну реку нельзя войти дважды», «Все течет, все изменяется», «Мир является совокупностью событий, а не вещей». При этом он считал, что законы природы неизменны, сохраняются в любом месте и в любое время. У Прокла (ок. 412–485 гг. до н. э.) понятие времени выводится из геометрических рассуждений: время не прямая линия, безгранично продолжающаяся в обоих направлениях, оно описывает окружность. При движении времени неоднократно соединяются конец с началом, поэтому оно бесконечно. В представлении Архимеда (ок. 287–212 гг. до н. э.) время имело вид спирали, которая соединяла цикличность с поступательным движением. На цикличности времени и бесконечном повторении жизни настаивал и Аристотель, утверждая, что время вечно, оно не имеет начала и является мерой движения.

В геоцентрической системе К. Птолемея (ок. 90–160 гг.), господствовавшей в естествознании до XVI в., время представлялось бесконечным, а пространство – конечным из-за движения небесных тел вокруг неподвижной Земли по круговым орбитам. В его учении утверждалась мысль о существовании в природе трех пространственных измерений.

Концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени приобрела реальную основу в построенной Н. Коперником (1473–1543 гг.) гелиоцентрической системе, которая отвергала представление об уникальности Земли и косвенно признавала безграничность и бесконечность пространства. Эту мысль в произведении «О бесконечности, Вселенной и мирах» выразил и Д. Бруно (1548–1600 гг.).

Космологические представления Д. Бруно развивались далее в работах И. Кеплера (1571–1630 гг.) и небесной механике Г. Галилея (1564–1642 гг.). Кеплером была установлена универсальная зависимость между периодами обращения планет и их средними расстояниями до Солнца, а также рассчитаны эллиптические орбиты, что способствовало развитию учения о пространстве на основе математических и физических понятий. Галилей при разработке основ классической механики открыл принцип относитель-

5

ности: во всех системах, движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью, все физические явления протекают одинаково. Такие системы называют

инерциальными системами отсчета (ИСО). Путем математиче-

ских преобразований Галилей доказал инвариантность (неизменность) в инерциальных системах длины, времени и ускорения (прил. 1).

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени происходило в рационалистической физике Р. Декарта (1596–1650 гг.). Физический мир в представлении Декарта состоял из двух сущностей – движения и материи. Материя находится в непрерывном движении и является протяженностью, наделенной формой и заполненной эфиром. Все явления природы (теплота, свет, магнетизм и др.) обусловлены механическим взаимодействием. Декарту принадлежит идея о близкодействии – передаче взаимодействий тел друг другу с конечной скоростью за счет особой тонкой материи – эфира. Его заслугой считается введение прямоугольной системы координат – декартовы координаты (x, y, z). Для описания процессов Декарт разработал собственную механику, где сводил силы к свойствам пространства, а также развивал представление о соотношении длительности и времени: длительность принадлежит материальному миру, а время – человеческому мышлению.

Таким образом, в доньютоновский период пространство и время рассматривались как физические понятия, получившие затем математическое и экспериментальное обоснование в рамках классической механики.

Контрольные вопросы

1.Субстанциальная и реляционная концепции пространства и времени.

2.Античные представления о пространстве.

3.Античные представления о времени

4.Определение инерциальной системы отсчета и принципа относительности.

5.Понятие инвариантности.

6

6.Механика Г. Галилея и ее значение в развитии концепции пространства и времени.

7.Пространство и время в представлении Р. Декарта.

2.Свойства пространства и времени

вклассической механике

Классическая механика рассматривает физическую картину мира, в основе которой лежат математические выводы английского ученого И. Ньютона (1643–1727 гг.), изложенные им в 1687 г. в работе «Математические начала натуральной философии». В ней рассмотрены три закона движения (динамики), представляющие единую систему, и закон всемирного тяготения, а также сформулированы положения о пространстве и времени. Эти выводы более двух столетий определяли развитие естествен- но-научной картины мира.

Пространство в механистической картине мира представлялось вместилищем материальных тел в инерциальной системе. Для него были характерны:

•однородность – нет выделенных точек пространства, в разных точках все свойства пространства одинаковы, а параллельный перенос (преобразования Галилея – Ньютона) не меняет вид законов природы;

•изотропность – нет выделенных направлений, а поворот на любой угол сохраняет законы природы неизменными;

•непрерывность – между двумя разными точками в пространстве, как бы близко они не находились, всегда есть третья точка;

•трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех координат;

•евклидность – описывается геометрией Евклида, согласно пятому постулату которой параллельные прямые не пересекаются

исумма внутренних углов треугольника равна 180°;

•бесконечность – отсутствие границ (на основании универсального закона всемирного тяготения Ньютон сделал вывод о бесконечности Вселенной: лишь в этом случае в ней может существовать множество небесных тел – центров гравитации).

7

Каждый объект характеризуется положением в пространстве и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если они произошли в разные промежутки времени. Положение тела в пространстве определяется относительно инерциальных систем отсчета, в которых действует принцип от-

носительности Галилея: физическими опытами нельзя установить, находится тело в покое или в состоянии прямолинейного равномерного движения. Может ощущаться только неравномерное (ускоренное) движение, причиной которого является сила, поэтому для Ньютона равномерное движение относительно, а ускоренное – абсолютно. Силы F пропорциональны ускорению тела с коэффициентом m, представляющим собой инертную массу: F = am. При равномерном движении объекты не испытывают действия силы, поэтому движение одинаково в любой системе и на движущиеся тела пространство не оказывает силового воздействия. При ускоренном движении появляются силы инерции, к которым относят, например, давление ног человека при остановке движущегося вверх лифта или центробежную силу на вращающейся карусели. Эти действующие на материальные тела силы Ньютон приписывал пространству, в котором возникало ускорение.

Время в классической механике означает длительность, меру всех механических процессов. Его можно измерить только путем приближения к истинному, математическому времени, входящему в уравнения движения. В механистической картине мира время абсолютно, причина его божественна. Во всей Вселенной время идет синхронно и единообразно.

Свойства времени:

•однородность – инвариантность (неизменность) физических законов относительно выбора начала отсчета времени, симметрия относительно сдвигов;

•бесконечность – отсутствие начала и конца;

•непрерывность – очень малые интервалы, делящиеся до бесконечности;

•одномерность – для определения времени события нужно указать одно число, при этом время имеет направление, линей-

8

ную последовательность событий из прошлого в будущее (неизотропно).

Существенной характеристикой ньютоновского мира считалась трехмерность пространства евклидовой геометрии. Пространство абсолютно, постоянно и находится в покое; движение – это перемещение объектов в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Время не зависит от материи и пространства.

По мнению Ньютона, вполне возможно существование мира, в котором есть только одно абсолютное пространство и нет материи и времени; может существовать мир, в котором есть пространство и время, но нет материи, или же мир, в котором существует только время без материи и пространства. Абсолютные пространство и время в классической механике выступают как универсальные инерциальные системы отсчета, для которых справедливы законы движения механики. Изменение точки отсчета не меняет длительности, что характерно и для пространственных симметрий классической механики.

В картине Вселенной Ньютона время являлось внешним параметром системы. Стало возможным для построения модели рассматривать процессы равной длительности, легко вводить метрику времени. Была построена целая система мира, подтверждены предсказания теории Ньютона. Абсолютность времени и его одновременность во всей Вселенной стали основой теории дальнодействия (мгновенной передачи действия от одного тела к другому через пустое пространство). В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое мгновенно, прямолинейно и с бесконечной скоростью распространялось на бесконечные расстояния. Физические процессы сводились к перемещению материальных точек под действием дальнодействующей силы тяготения. Все события детерминированы, обусловлены причинно-следственным механизмом, поэтому можно точно описать любое прошлое событие во Вселенной или предсказать будущее.

Понятия абсолютного пространства и времени легли в основу субстанциальной концепции пространства и времени, согласно

9

которой материя, абсолютное пространство и абсолютное время – три независимые друг от друга субстанции, начала мира.

Ньютоновское понимание пространства и времени неоднозначно воспринималось естествоиспытателями и философами того периода. Немецкий ученый Г.В. Лейбниц (1646–1716 гг.) отрицал существование пространства и времени как абсолютных сущностей. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, указывал на их относительный (реляционный) характер: «мгновения в отрыве от вещей ничто», время – порядок последовательностей, а пространство – порядок существований. Лейбниц в определенной степени предвосхитил современное представление о неразрывной связи пространства и времени с материей, однако высокий авторитет Ньютона и успехи его системы способствовали доминированию субстанциальной концепции пространства и времени, лежащей в основе механистической картины мира.

Контрольные вопросы

1.Принципы близкодействия и дальнодействия в физике.

2.Принцип относительности Галилея.

3.Сущность преобразований Галилея.

4.Почему в классической механике возможно предсказать будущее системы?

5. Реляционная концепция пространства и времени Г.В. Лейбница.

3.Постньютоновский период. Предпосылки теории относительности и альтернативные концепции

Дальнейшему развитию представлений о пространстве и времени способствовали серьезные трудности, с которыми столкнулась классическая физика в конце XIX столетия. До этого времени физика была наукой вещества, основанной на теории дальнодействия. Открытие М. Фарадеем (1791–1867 гг.) электромагнитных явлений и создание теории электромагнитного поля Дж. Максвеллом (1831–1879 гг.) показало, что для полного описания явлений природы одной классической механики недоста-

10