75

ЗМІС

ВСТУП 4

РОЗДІЛ 1 6

ПРОСТІР І ЧАС У КЛАСИЧНІЙ ФІЗИЦІ 6

1.1 Історичний огляд вчення про простір і час 6

1.2 Походження понять часу і простору, їх основні властивості 14

1.3 Тривимірна геометрія Евкліда і абсолютний час 18

1.4 Простір і час в класичній механіці 20

1.5 Одночасність в класичній концепції часу 23

РОЗДІЛ 2 25

ПРОСТІР І ЧАС У СУЧАСНІЙ ФІЗИЦІ 25

2.1 Час у світорозумінні Ейнштейна 25

2.2 Симетрія простору і часу 33

2.3 Уявлення про час і простір у кінці XX століття 34

2.4 Парадокси теорії відносності 42

РОЗДІЛ 3 54

ГРАВІТАЦІЯ ТА ВИКРИВЛЕННЯ ПРОСТОРУ-ЧАСУ 54

3.1 Гравітація та гравітаційна взаємодія 54

3.2. Поняття про загальну теорію відносності. Вплив гравітації на простір і час 55

3.3 Чорні діри. Простір і час при колапсі 57

3.4 Чорна діра як джерело енергії 61

3.5 Гравітація в сучасній теоретичній фізиці 64

РОЗДІЛ 4 66

ВИВЧЕННЯ ТЕМИ ДИПЛОМНОЇ РОБОТИ У ШКОЛІ 66

4.1 Розкриття поняття простору і часу у процесі вивчення фізики 66

4.2 Методична розробка уроку зі спеціальної теорії відносності 66

ВИСНОВКИ 72

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 73

ВСТУП 3

РОЗДІЛ 1. ПРОСТІР І ЧАС У КЛАСИЧНІЙ ФІЗИЦІ 5

1.1 Історичний огляд вчення про простір і час 5

1.2 Походження понять часу і простору, їх основні властивості 13

1.3 Тривимірна геометрія Евкліда і абсолютний час 17

1.4 Простір і час в класичній механіці 19

1.5 Одночасність в класичній концепції часу 22

РОЗДІЛ 2. ПРОСТІР І ЧАС У СУЧАСНІЙ ФІЗИЦІ 24

2.1 Час у світорозумінні Ейнштейна 24

2.2 Симетрія простору і часу 32

2.3 Уявлення про час і простір у кінці XX століття 33

2.4 Парадокси теорії відносності 41

РОЗДІЛ 3. ГРАВІТАЦІЯ ТА ВИКРИВЛЕННЯ ПРОСТОРУ-ЧАСУ 53

3.1 Гравітація та гравітаційна взаємодія 53

3.2. Поняття про загальну теорію відносності. Вплив гравітації на простір і час 54

3.3 Чорні діри. Простір і час при колапсі 56

3.4 Чорна діра як джерело енергії 60

3.5 Гравітація в сучасній теоретичній фізиці 63

РОЗДІЛ 4. ВИВЧЕННЯ ТЕМИ ДИПЛОМНОЇ РОБОТИ У ШКОЛІ 65

4.1 Розкриття поняття простору і часу у процесі вивчення фізики 65

4.2 Методична розробка уроку зі спеціальної теорії відносності 65

ВИСНОВКИ 71

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 72

ВСТУП

Фізичні явища і процеси відбуваються з матеріальними об’єктами в просторі і часі. Тому, поняття матерії, простору і часу являються надзвичайно важливими не лише для розуміння і пізнання природи явищ та законів, якими описуються ці явищ, а й формування сучасного об’єктивного наукового світогляду. Оскільки поняття матерії, простору і часу є первинними філософськими категоріями, що не можуть визначатись, через інші вже відомі поняття, то об’єктивне і наукове правильне розуміння цих понять є важливими. Саме тому на протязі всього періоду розвитку людства і пізнання ним оточуючого світу питання розуміння змісту матерії, простору і часу надавалось особливого значення. Сучасні уявлення про ці найважливіші категорії пізнання формування з доісторичних часів, вони хвилюють людство і сьогодні.

Дослідження методологічних підходів до формування понять матерії, простору і часу в історичному їх розвитку є цікавим і науково важливим, оскільки вся фізична наука будувалася і будується в наш час з урахуванням сформованих на кожному історичному періоді поглядів на ці філософські категорії.

В класичній картині світу існування абсолютного часу і його атрибутів не зв’язувалися з якими-небудь фізичними взаємодіями або їхніми властивостями. Ньютон спеціально підкреслював, що навіть у тому випадку, якщо в природі відсутні такі реальні процеси, з якими можна було б асоціювати плин абсолютного часу, таке все одно існує.

У класичній фізиці як щось саме собою зрозумілим приймалося, що всі взагалі явища світу координовані в просторі й часі абсолютним чином. Тим самим різноманітні взаємодії розглядалися як фундаментальні й ні від чого не залежні.

У релятивістській же концепції вони розглядаються як взаємозалежні, обумовлені наявністю між матеріальними системами певних фізичних взаємодій, або можливістю таких взаємодій.

Таким чином, філософське значення змін, внесених теорією відносності в існуючі до її появи твердження про сутності простору і часу, полягає в тому. Що останні, з точки зору цієї теорії, мають фізичний сенс тільки для подій, які зв’язані, або можуть бути зв’язані між собою матеріальними взаємодіями, і тому час не можна вже розглядати як деяку універсальну систему відліку, щодо якої відбувається впорядкування усіх подій.

Тема магістерської роботи формулюється так : «Дослідження історії і методологічних основ формування поглядів на простір і час»

Актуальність теми заключається, як вже було написано, перш за все в тому,що від розуміння цих категорій залежать основи світогляду на певному історичному етапі розвитку науки про оточуючий світ. Розуміння цих понять багаторазово змінювались, наповнювались новим змістом шліфувались науково. Ці процеси важливо розуміти і знати.

Об’єктом дослідження є матерія і форми її існування, простір і час.

Предметом дослідження: історія і методологія формування поглядів на матерію , простір і час.

Методи дослідження: накопичення інформаційного матеріалу шляхом вивчення бібліотечних, літературних та електронних джерел, їх систематизація, синтез та аналіз, наукове узагальнення на основі теоретичних і експериментальних підтверджень та відповідних обґрунтувань.

Мета дослідження: висвітлити в узагальнених рисах історичний процес розвитку методології, формування поглядів на матерію, простір і час, та побудови на їх основі, нових знань про оточуючий світ.

Основним завданням було: на основі методологічних джерел дослідити основні етапи зміни поглядів на матерію, простір і час, та формування на їх основі різних наукових картин світу, включаючи сучасні уявлення, що базуються переважно, на спеціальній і загальній теорії відносності.

Розділ 1 простір і час у класичній фізиці

1.1 Історичний огляд вчення про простір і час

Існує широко поширене переконання, що на зорі людства спочатку було освоєно поняття простору і тільки потім, за подобою простору, люди поступово пристосували для практичних цілей поняття часу.

Можливо, і так. Хоча сумнівно. Можна уявити, як неандертальці пробираються крізь зарості первісного лісу або бредуть по пагорбах... Залежно від важко прохідності місця одну і ту ж відстань можна здолати і за день, і за тиждень. Отже втомлені люди, ще не гомо сапієнс, але вже розумні, раз у раз поглядають на сонце - так вони оцінюють пройдений шлях... А потім, повернувшись в рідну печеру, розповідають побратимам, як добиралися. І знову замість згадки відстані показують на пальцях, скільки разів сонце з'являлося на небі і зникало. Так що невідомо ще, які поняття раніше освоїли люди - час або простір. Але у будь-якому випадку, і це дуже знаменно, пристосовувавши час для практичних цілей, люди відштовхувалися від руху (Сонця, Місяця, сузір'їв и т. і.).

Інша справа, що простір можна бачити, в просторі можна переміщатися. І простір як поняття, як наукова категорія був усвідомлений набагато раніше, ніж час. Вже в Стародавньому Єгипті люди знали, що таке лінія, площина, об'єм, вимірювали довжину і площу. Евклід в III ст. до н. э. виклав основи геометрії - науки про просторові стосунки.

А час?

Історія усвідомлення часу виявилася складнішою і заплутанішою, можна навіть сказати, загадковою. Найбільш ранні з уявлень, що дійшли до нас, про час збереглися в міфах і легендах прадавніх цивілізацій Землі. Серед них особливе місце займає ведична література. Давньоіндійська філософія вважала, що час також, як і сім просторових рівнів багатовимірного світу, має енергетичну природу. "Час - це енергія всемогутнього Бога Харі, який управляє усіма переміщеннями фізичних тіл..." Але окрім часу, який править у матеріальному світі (Карья-калу), ведична культура визнає існування вічного часу (Ананда-калу) як інструменту верховного Бога Крішни. Сучасні коментатори старовинних текстів доносять до нас представлення древніх індусів. "Атомом називають найдрібнішу частку матеріального космосу. Атом... існує завжди, навіть після знищення усіх форм... Час можна розрахувати, зв'язавши його з рухом фізичних тіл, що складаються з атомів. Проміжок часу, за який Сонце проходить простір, зайнятий одним атомом, називають атомним часом. Час, що охоплює усю не проявлену сукупність атомів, називають великим часом". Існують ведичні одиниці виміру часу відносно атома. Наприклад, "якщо одну секунду розділити на 1687,5 частин... (то це буде) час, необхідний для з'єднання вісімнадцяти атомів". (Оскільки коментаторам прийнято вірити, нам нічого іншого не залишається, як тільки запитувати один у одного: до чого б це, тобто навіщо знадобилася древнім індусам така точність у вимірі часу?

В уявленні первісних і древніх народів час часто виступає в антропоморфному образі, як щось первинне, могутнє, рокове і непізнанне. Сам великий Зевс був сином бога часу Хроноса. Значна частина аспектів і фізичного, і філософського поняття часу, якими займалися мислителі глибокої старовини, остаточно не прояснена і сьогодні. Саме тому погляди філософів стародавнього світу представляють не лише історичний інтерес. На думку автора, також, як в давнину час вважали одним з фундаментальних атрибутів буття, так і сьогодні "поняття часу, разом з категоріями простору і руху, визначає "концептуальну" рамку сучасного природознавства і громадських наук".

Уявлення про час включає цілий букет більш менш складних понять : суть і об'єктивність часу, його вимір, спрямованість, одночасність, однорідність і так далі

Більшість філософів старовини, багато учених-фізиків займалися часом, але усі погляди і усі навчання, що з'явилися за 2500 років, вільно укладаються в чотири основні концепції: субстанціональну, статичну, динамічну і реляційну.

Субстанціональна концепція розглядає час як особливу самодостатньою ні від чого не залежну субстанцію, первинну в такій же мірі, як матерія або простір.

Статична концепція трактує усі події сьогодення, минулого і майбутнього як реально існуючі одночасно (з різними обмовками і допущеннями), а уявлення про час конкретних подій - це ілюзія, що виникає у момент усвідомлення тієї або іншої зміни.

Динамічна концепція припускає, що існують події тільки теперішнього часу ("минулого вже немає, майбутнього ще немає").

Реляційна концепція вважає час відношенням або системою стосунків між фізичними подіями (явищами)

Не зупинятимемося на досягненнях Стародавнього світу у вимірі часу, у винаході годинника, заснованого на різних конструктивних принципах (сонячні, водяні, пісочні...). Набагато цікавіші фізико-філософські аспекти вивчення проблеми часу

Близько 2600 років тому давньогрецький мудрець Анаксимандр (близько 610-546 рр. до н. е.) учив, що першоосновою всякого буття є "нескінченність", намагався осмислити Всесвіт в цілому. Він був одним з перших в античній науці, хто представив Всесвіт, розділений на дві частини, принципово відмінні один від одного з точки зору часу : складову більш високого рангу - вічну і незмінну - і конкретно-предметну частину Світу, що постійно змінюється в часі. Така концепція часу бере початок з давньоіндійських (ведичних) представлень і, очевидно, проникла в Грецію через Єгипет. Анаксимандр вважав, що основою усього являється безмежний вічний позачасовий і незмінний початок, з якого народжуються і в яке знову повертаються всі численні світи. Цьому початку він протиставляв тлінний світ речей, над яким володарює час.

Вражає інше: пройшло 2500 років, а деякі наші сучасники все ще експлуатують ідею про "безчасся" (ніде, ніколи, ніким і нічим не підтверджену). Я не маю на увазі офіційну (велику) науку, але поруч...

Стародавній світ вирував, як молоде вино, "бродив" ідеями про час, скостенілої ідеологічної догми не було, а було лише пристрасне бажання зрозуміти Всесвіт.

Через століття після Анаксимандра практично одночасно проповідували дві концепції. Ксенофан (VI – V віки до н. е.) учив про незмінність Світу : Всесвіт - абсолютно однорідна суть в незмінному стані. І Ксенофана можна вважати одним з прабатьків статичної концепції часу.

Його підтримував Парменид (близько 540 р. до н. е.), який вважав, що спостережувані зміни - це ілюзія наших органів чуття. З точки зору прибічників статичної концепції, є буття істинне, однорідне, воно не рухається, не виникає і не помирає, воно передчасне. У чуттєвому неістинному бутті Парменид допускав, окрім сьогодення, також минуле і майбутнє.

Дуже цікавими видаються погляди Геракліта Ефеського (VI – V віки до н. е.). На жаль, основна його праця "Про природу" збереглася лише у вигляді окремих уривків, а трактування його поглядів у подальших авторів часто суперечливе.

Як наслідування Геракліту оцінюється наступний фрагмент із Стобея: "З усіх (речей) час самий останній і найперший; він усе має в собі самому і він один існує і не існує. Завжди з сущого він йде і приходить саме по протилежній до себе дорозі. Бо завтра для нас наділі (буде) учора, учора ж було завтра".

"У вченні Геракліта ми, мабуть, уперше стикаємося з чітко вираженою динамічною концепцією часу, що затверджує його безперервність і універсальність"

Ймовірно, Геракліт взагалі є одним з перших і найбільших діалектиків старовини. Не випадково саме йому належить знамените: "Усе тече, усе змінюється". Невблаганний рух неба і усіх сущих тіл, рухаються почуття людини і його свідомість. "...Усе міняється в загальному кругообігу в творчій грі Вічності". Можна подумати, а чи не допускав цей найбільший мудрець, що і час різний в різних точках світового простору. Хто знає? Адже він сприймав Всесвіт як вічний рух матерії. Однак він розумів час не лише як щось безперервне і універсальне, але і як атрибут всесвіту, що носить непереборний і загальний характер. І його захопила ідея перворідної субстанції. Усе тече в незмінному потоці часу. А що ж думали про час наші "брати" по матеріалізму, так звані стихійні матеріалісти-атомісти? Левкіпп (500-440 рр. до н. е.) і Демокрит (460-370 рр. до н. е.) вважали, що світ складається з порожнечі і атомів, а порожнеча і атоми незмінні. Атоми знаходяться у безперестанному русі і існують вічно в потоці часу. Час не виникає і не зникає. У Демокрита часу властиві дві функції: час обумовлює рух і вічність, але, крім того, вічність часу обумовлює і незмінність субстанції.

У концепції атомістів гармонійно уживаються і умова загальної змінності, і умова загального збереження. Демокрит допускав циклічність існування світів, але у зв'язку з органічною мінливістю кожен новий світ схожий, але не тотожний попередньому ... Ряд істориків науки вважає, що саме Демокриту належить гіпотеза про дискретність часу.

Платон (427-347 рр. до н. е.) може вважатися одним з родоначальників реляційних концепцій часу, оскільки він цілком безперечно заявив, що час не є особливою субстанцією, він - один з визначників матеріального світу. Платон стверджував, що час обумовлений рухом небесних тіл, більше того - це просто одне і те ж ("якщо небес буде багато, буде багато і часу"), "Через те, що рух небесних світил циклічний, час представляється також циклічним, таким, що біжить по кругу". (Платон називав навіть тривалість циклу - 36 тисяч років. Платон, як і багато інших, виділяв буття істинне (і тут у Платона час відповідає статичній концепції) і неістинне, де володарює динамічна модель

Звичайно, ідея Платона про те, що час є функцією певних процесів матеріального світу, оригінальна і плідна, але абсолютизація її - зведення часу до руху хоч би і самих небес - викликало заперечення ще за його життя. І заперечував його улюблений учень - великий Аристотель (384-322 рр. до н. е.). Аристотель постулював єдиний для усього Всесвіту універсальний час. На відміну від руху, він завжди рівномірний: "...зміна може бути швидше і повільніше, час же не може... він, таким чином, не є рух". Правда, Аристотелю ж належить і прекрасна думка про те, що час не є рух, але він і не існує без "зміни".

Об'єктивність часу Аристотель доводив можливістю сприйняття змін у навколишньому світі або в душі. "Аристотелю вдалося намацати дуже важливу відмінність між поняттями "тепер" і "одночасність"

Окрім твердження про єдиний і універсальний час, Аристотель учить про позачасове буття, в якому немає ні спокою, ні руху, ні виникнення, ні знищення і яке характерне для "вічних істот". Основними елементами матерії Аристотель вважав землю, повітря, воду і вогонь, а також найдосконаліший елемент - ефір. Аристотель учив, що Земля кулеподібна і нерухомо покоїться в центрі Всесвіту. Навколо Землі розташовуються рухливі кришталеві сфери, до яких прикріплено Сонце і місяць. Аристотель вірив в те, що разом з реальним світом, який ми бачимо і відчуваємо, є ще світ вищих духовних сутностей. Згодом церква канонізувала погляди Аристотеля.

Великий давньоримський поет і філософ Лукрецій (близько 99-55 рр. до н.е.) був послідовним прибічником реляційної концепції часу (не творцем, а пропагандистом). Він чітко сформулював, що "час - це є визначення матеріальних об'єктів", що змінюються. Ось, можливо, найбільш характерна для його поглядів цитата:

"Також і часу немає самого по собі, але предмети самі ведуть до відчуття того, що в повіках здійснювалося Що відбувається тепер і що буде пізніше І неминуче визнати, що ніким відчуватися не може Час сам по собі, поза рухом тіл і спокою".

Так, Лукрецій відстоює реляційну концепцію часу. Згідно з Лукрецієм час є відображенням реальних фізичних явищ. Правда, як і його далекий попередник Платон, реальні процеси він зводить до руху небесних тел.

Погляди неоплатоніка Гребля (205-270 рр.), а вірніше, його блискуча критика слабких місць і непослідовності у своїх попередників цікаві не лише самі по собі, але і тим, що вони як би готують прихід схоластичного Середньовіччя. Так, Аристотеля він критикує за непослідовність в трактуванні залежності часу від руху, за ідею нематеріальності часу, а натомість пропонує час як особливу самодостатню суть.

Згідно з вченням Гребля "час є життя душі, що перебуває в перехідному русі від одного життєвого прояву до іншого". Час є енергія світової душі, і, нарешті, не час породжується рухом, а рух є міра часу, час лише проявляється за допомогою руху.

У ранньому Середньовіччі одним з творців власне християнського вчення про час був єпископ гіппонійский Августин Блаженний(354-430 рр.). Він визнавав, з одного боку, плинність часу, а з іншого - повну нерухомість вічності. Причому вічність для Августина не є самодостатньою суттю, а є одною з атрибутів Бога, тобто вічність знаходиться поза часом. Зокрема, він стверджував, що сьогодення не має тривалості, а майбутнє і минуле існують в душі, а не в реальності.

"...Що таке час? Поки ніхто мене про це не запитує, я розумію і анітрохи не затрудняюсь; але як хочу дати відповідь про це, стаю абсолютно у безвихідь".

А ось інше уявлення про час, що відноситься практично до тієї ж епохи : "Час не подібний до прямої лінії, що безмежно триває в обох напрямах. Він обмежений і описує коло. Рух часу сполучає кінець з початком, і це відбувається незліченне число разів. Завдяки цьому час нескінченний". Так учив Прокл (410-485 рр.) і тим як би підвів підсумок, узагальнив і завершив погляди тих старогрецьких і еллінських філософів, які трактували час як біг по колу.

Філософи арабського Сходу йшли за неоплатоніками і Аристотелем. Ібн Сина(990-1037 рр.), як і багато до нього, вважав, що час сам по собі, поза рухом тіл, не існує. Вражаюче інше: можливо, він був першим, хто висловив думку про те, що простір і час (він називав також і рух) нероздільні. Наступного разу про це в Європі заговорили тільки років через 500-600.

У Середньовіччі як серед ідеалістів, таки серед матеріалістів панували суб'єктивістські (і не реляційні) оцінки суті часу.

Такий підхід був характерним і для великого французького філософа Рене Декарта (1596-1650 рр.). Як відмічає Молчанов: "Він, мабуть, одним з перших став проводити відмінність між часом і тривалістю... Тривалість, із його точки зору, є об'єктивне визначення будь-яких процесів руху, особливий атрибут, який мають як матеріальні об'єкти, так і психічні явища. Час, навпаки, є тільки модуль мислення, тобто предмет, який наша свідомість конструює при визначенні тривалості". От як це виразив сам Декарт: "Але одні якості або атрибути дані в самих речах, інші ж тільки в нашому мисленні.".

Тенденція до суб'єктивної оцінки часу була розвинена і продовжена в навчаннях видатних матеріалістів XVII ст. - Б. Спінози, Т. Тоббсаі Дж. Лота.

Разом з реляційною і субстанціональною концепціями з давніх часів і до наших днів благополучно дожила і ще одна концепція. Це твердження про те, що ніякого часу взагалі немає, тобто що час - це тільки абстракція, придумана людьми для того, щоб зручно було вимірювати тривалість подій. Таким бачилося поняття суті часу багатьом мудрецям старовини, але так само вважає і ряд сучасних учених.

Сам факт такого тривалого існування цієї концепції говорить про те, що таке переконання має під собою деякі підстави. І це дійсно так, але тільки за однієї умови - якщо в Природі немає єдиного і фундаментального явища, яке б, кінець кінцем, і визначало періодичність усіх процесів, а отже, і хід всіх годин.