Лекция № 5. Концепции пространства и времени в современном естествознании.

1. Развитие представлений о пространстве и времени

Пространство и время — неотъемле­мые составляющие человеческого опыта, любого нашего взгляда на мир. Может быть, именно поэтому человек заметил пространство и вре­мя довольно поздно, всего несколь­ко тысячелетий назад. Противо­поставив Землю и Небо, различив стороны света, люди создали первую схему пространства; появление ми­фов о сотворении мира свидетель­ствовало об открытии времени. Про­странство и время дали начало божествам мирового порядка и судь­бы. Их могущество росло по мере развития древних цивилизаций, в которых они определяли весь строй и ритм жизни. Лишь с появлением научного метода в Древней Греции начался постепенный процесс пре­вращения пространства и времени из божеств в понятия. Здесь, в Элла­де, возникли первые научные воз­зрения о природе и свойствах пространства и времени, о структуре материи и сущности движения.

Фалесу Милетскому (625 — 547 до н.э.), считающемуся первым среди семи мудрецов Древней Греции, приписывают следующее суж­дение:

Больше всего — пространство, ибо оно вмещает всё.

Быстрее всего —мысль, ибо она бежит без остановки.

Первоначально понятие пространства формировалось на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности.

Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и, в первую очередь, в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.

Большую роль в развитии представлений о пространстве сыграл общий принцип классической механики – принцип относительности.

Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам.

Инерциальными называются системы отсчета, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля. Он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней ее стенки, а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме.

Из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если оно равномерно и прямолинейно – нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится?

На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет ни какого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Кроме того, проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия.

Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению.

Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

Развитие классической механики И. Ньютоном привело его к созданию теории тяготения, провозгласившей универсальный закон природы – закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если взаимодействующие тела принять за материальные точки с массами m₁ и m₂, расположенные на расстоянии r друг от друга, то для силы гравитационного взаимодействия F можно написать:

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов – центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утвердилось представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

В 1687г. в работе «Математические начала натуральной философии» Исаак Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и времени. В ней были сформулированы основные законы движениям и дано определение пространства, времени, места и движения. Он характеризовал время и пространство как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения».³ Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагал различать два типа этих понятий:

• абсолютные (истинные, математические) и

• относительные (кажущиеся, обыденные)

и давал им следующую характеристику:

• абсолютное, истинное, математическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

• относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год…

Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном пространстве и време­ни играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения клас­сической механики справедливы в инерциальных системах от­счета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия "пространства" и "времени" ограничены чувствами я свойствами познающей личности, а не объективными призна­ками реальности как таковой. Поэтому они выступают в каче­стве относительного времени и пространства.

Выступая с критикой ньютоновского понимания пространства и времени, Г.В. Лейбниц предложил реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей. Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц писал: «Считаю пространство так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство – порядком сосуществований, а время – порядком последовательностей»⁴ (т.е. рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время – как порядок отношения и последовательность событий).

Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики. Ньютоновская концепция пространства и времени оказалась господствующей вплоть до конца ХIХ в.

Современное понимание свойств пространства-времени исходит из знаменитых открытий величайших физиков Д.К. Максвелла и А. Эйнштейна.