Раздел II. История естествознания

115

найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистичес­кую картину мира¹.

Вместе с этим закончился прежний, классический этап в развитии естествознания, характерный для эпохи Нового времени. Наступил новый этап неклассического естество­знания XX века, характеризующийся, в частности, новы­ми, квантово-релятивистскими представлениями о физи­ческой реалы-гости.

Вопросы для самоконтроля

1. Что характерно для натурфилософского понимания природы?

2. Когда и при каких обстоятельствах возникает наука?

3. Кому из философов принадлежит первая в европей­ской науке попытка дать общекосмологическую картину мира?

4. Назовите основные принципы атомистического уче­ния о природе, обоснованные Демокритом.

5. Что включает в себя космология Аристотеля?

6. Каково значения гсоцентристской системы мира, обоснованной Птолемеем?

7. Что такое научная революция? Какие научные рево­люции в истории общества вам известны?

8. Расскажите о создании экспериментального естество­знания.

9. Покажите роль Ньютона в истории естествознания.

¹ Но классическая механика Ньютона при этом не исчезла. По сей день она занимает почетное место среди других естественных наук. С ее помощью, например, рассчитывается движение искусст­венных спутников Земли, других космических объектов и т. д. Но трактуется она теперь как частный случай квантовой механики, при­менимый для медленных движений и больших масс объектов мак­ромира.

116 Концепции современного естествознания

10. В чем сущность диалектизации естествознания?

11. Покажите значение книги Дарвина "Происхожде­ние видов".

12. Раскройте содержание закона сохранения и превра­щения энергии.

13. Каковы причины крушения механистической кар­тины мира?

14. В чем суть теории относительности Альберта Эйн­штейна?

Раздел Ш

Элементы современной физики

1. Относительность

1.1. Пространство и время

Одним из первых ощущений младенца после появления на свет, по-видимому, есть неосознанное ощущение направ­ления верх — низ, связанное с действием силы тяжести, ко­торое постепенно входит в привычку при длительном поло­жении на спине в пеленках, и создаются предпосылки для представления о том, что значит направление вперед — на­зад. Ощущение перед — зад возникает, когда ребенок начи­нает садиться и, тем более, вставать. Наконец, в гораздо более старшем возрасте маленький человечек начинает раз­личать правое — левое, а для многих запомнить "правое — левое" (рука, нога, ухо, глаз, щека, плечо, колено и т. п.) требует некоторых усилий (известны взрослые люди, кото­рые в этом путаются, как гоголевская девчонка Пелагея).

Описанными или близкими к ним соображениями (и, скорее всего, не только ими) руководствовался Рене Декарт (1596—1650), предлагая систему координат, состоящую из трех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через одну точку, называемую началом координат. Оси системы могут быть произвольно ориентированы относительно зем­ли, направления силы тяжести, но обычно ось, направ­ленную вперед — назад обозначают буквой X и называют абсциссой, вправо-влево — буквой Y — ординатой, и вверх — вниз — буквой Z — аппликатой.

118 Концепции современного естествознания

Таким образом, мы исподволь получили декартово пред­ставление пространства трех взаимно перпендикулярных на­правлений — трех измерений — трехмерное пространство. Привычка находиться в трехмерном пространстве наряду со стереоскопическим (объемным, благодаря двум глазам) зре­нием делает естественным декартово представление. Част­ными случаями пространства трех измерений яштяются про­странства двух (плоскость) и одного (прямая) измерений, имеющих, соответственно, две и одну ось. Одну ось и пер­вую ось двумерного пространства удобно располагать гори­зонтально с положительным направлением слева направо в плоскости листа тетради или книги, лежащей на столе, и ее также называют абсциссой, а вторую — перпендикуляр­но (под прямым углом) к ней с положительным направле­нием вперед от нас (или к нам) называют ординатой.

Математика и философия приводят к обобщениям про­странства. Пространство в математике — это логически мыс­лимая форма (или структура), служащая средой, в которой осуществляются другие формы и те или иные конструкции. Например, в элементарной геометрии плоскость или про­странство служат средой, где строятся разнообразные фи­гуры. Математическое обобщение пространства может быть сделано в различных направлениях: таковы, например, век­торное пространство, гильбертово пространство, риманово пространство, функциональное пространство, топологичес­кое пространство. Эти обобщения — по признаку тех объек­тов, которые являются точками пространства. Простейшим обобщением, по-видимому, является переход к числу из­мерений более трех — многомерному пространству. Первым шагом к пространству п измерений является 4-мерное про­странство.

Но вернемся к нашим детским ощущениям. Примерно к 5 годам ребенок начинает ощущать время, замечая смену дня и ночи — светлого и темного времени в суточных цик­лах. Лишь в более старшем возрасте он начинает ощущать течение времени, различая смысл слов — утром, днем, ве­чером, ночью, затем — вчера, сегодня, завтра и, нако-

Раздел Ш. Элементы современной физики 119

нец, более точное время, которое узнает по часам, и более длительные отрезки времени — прошлая, текущая, буду­щая неделя (месяц, год, пяти-, десяти-, столетие). Таким образом, интуитивное представление о времени создается жизненным опытом по мере осознания его "моментов", от­резков между ними и возможности их измерения с помо­щью циклических процессов. Еще раньше, сравнивая рас­стояния между окружающими вещами, осознаются поня­тия "ближе", "дальше", "рядом", сравнение с эталоном длины, принятым за ее единицу, — измерение расстояния.

Подведем некоторые итоги.

Все окружающее существует в пространстве и развива­ется во времени. Пространство и время — две стороны про­странственно-временного континуума. Время можно изме­рять мерой пространства — расстоянием, а расстояние — мерами времени (время, например, может измеряться от­носительным положением стрелок на циферблате часов, ка­лендарь Робинзона Крузо состоял из зарубок на стволе дере­ва, при графическом изображении процессов промежутки времени изображаются отрезками прямой — оси координат времени, кадры кино и видеофильма дают пространствен­ную развертку фаз движения изображенных на них персона­жей, лента аудиофильма дает последовательность звуков во времени, а расстояние — 5 минут ходьбы от дома до шко­лы, от Ростова-на-Дону до Новочеркасска 45 минут езды на автобусе, в астрономии расстояния между звездами изме­ряют в световых годах — расстоянием, которое свет в ваку­уме проходит за год).

Выделяемая часть пространства (не обязательно конеч­ная и ограниченная) образует объект. Выделение и фикса­ция во времени части пространства дает состояние объекта. Упорядоченная последовательность состояний объекта со­ставляет процесс его развития (жизни, существования) во •времени.

Объект и процесс — две стороны (проекции) объектно-процессного (пространственно-временного) явления как вся­кого проявления чего-либо (событие, случай).

120 Концепции современного естествознания

Философия определяет пространство и время как все­общие формы существования материи. Пространство и вре­мя не существуют вне материи и независимо от нее.

Пространственными характеристиками являются поло­жения относительно других тел (координаты тел), расстоя­ния между ними, углы между различными пространствен­ными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяженностью и формой, которые определяются рассто­яниями между частями объекта и их ориентацией). Времен­ные характеристики — "моменты", в которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов.

Опыт отдельного индивидуума, порядок обучения и потребности повседневной житейской практики отделяют пространство от времени, и лишь с возрастом умудренный человек начинает ощущать их неразрывную связь благодаря субъективному сокращению расстояния — обозримости мно­гих явлений и процессов — и возрастному ускорению хода времени.

Описанными житейскими соображениями можно было бы ограничиться при описании свойств пространства-вре­мени; их достаточно тем, кто не имеет дела с астрономичес­кими масштабами или масштабами внутриатомных и внут­риядерных процессов. Однако теперь каждому школьнику даже начальных классов уже известно существование этих процессов, поэтому проследим более тонкие свойства про­странства-времени, следуя прекрасному изложению Г. Бон-ди и Дж. Шварца знаменитых открытий величайших физи­ков Джеймса Кларка Максвелла (1831—1879) и Альберта Эйнштейна (1879—1955).