Прошло более
2500 лет с той поры, как было положено начало осмыслению времени и
пространства, тем не менее, и интерес к проблеме и споры философов, физиков и
представителей других наук вокруг определения природы пространства и времени
нисколько не снижаются. Значительный интерес к проблеме пространства и времени
естественен и закономерен, влияния данных факторов на все аспекты деятельности
человека нельзя переоценить. Понятие пространства - времени является важнейшим
и самым загадочным свойством Природы или, по крайней мере, человеческой природы.
Представление о пространстве времени подавляет наше воображение. Недаром
попытки философов античности, схоластов средневековья и современных ученых,
владеющих знанием наук и опытом их истории, понять сущность времени –
пространства не дали однозначных ответов на поставленные вопросы.
Диалектический
материализм исходит из того, что "в мире нет ничего, кроме движущейся
материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве
и во времени". Пространство и время, здесь выступают в качестве фундаментальных
форм существования материи. Классическая физика рассматривала
пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических
объектов. В прошлом веке представители неклассической физики (физики
элементарных частиц, квантовой физики и др.) выдвинули новые
представления о пространстве и времени, неразрывно связав эти категории между
собой. Возникли самые разные концепции: согласно одним, в мире вообще
ничего нет, кроме пустого искривленного пространства, а физические
объекты являются только проявлениями этого пространства. Другие концепции
утверждают, что пространство и время присущи лишь макроскопическим объектам.
Наряду с интерпретацией времени – пространства философией физики существуют
многочисленные теории философов, придерживающихся идеалистических взглядов, так
Анри Бергсон утверждал, что время может быть познано только нерациональной
интуицией, а научные концепции, представляющие время, как имеющее какое-либо
направление, неверно интерпретируют реальность.
Начинать
исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии,
анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных
представлений вплоть до наших дней.
Понятие
времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной
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. Рациональные идеи, согласующиеся с сегодняшними представлениями о
времени – пространстве можно найти в учениях почти всех античных мыслителей.
Так уже в учении Гераклита центральное место занимает идея всеобщего изменения
– в ту же реку вступаем и не вступаем. В анализе античных доктрин о
пространстве и времени остановимся на двух наиболее полно исследовавших данный
вопрос: атомизме Демокрита и системе Аристотеля.
Атомистическая
доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом и
во многом предвосхитила фундаментальные открытия ученных прошлого века.
Согласно, этой доктрины, всё природное многообразие состоит из мельчайших
частичек материи (атомов), которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в
пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются первоначалами
мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из отсутствия
начала у времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время, которому
соответствует бесконечное время. По Демокриту атомы физически неделимы в силу
плотности и отсутствия в них пустоты. Сама же концепция была основана на
атомах, которые в сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира.
В основе этих атомов лежат амеры (пространственный минимум материи).
Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы
не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это
совпадает с представлениями современной физики о кварках. Характеризуя систему
Демокрита как теорию структурных уровней материи - физического (атомы и
пустота) и математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя
пространствами: непрерывное физическое пространство как вместилище и
математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах
протяжения материи. В соответствии с атомистической концепцией пространства у Демокрита
сложились представления о природе времени и движения. В дальнейшем они были
развиты Эпикуром в стройную систему. Эпикур рассматривал свойства
механического движения исходя из дискретного характера пространства и
времени. Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся
с одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии состоит в
том, что в процессе перемещения атомы проходят один атом пространства за один
атом времени.
Аристотель
начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует
его в вопрос о существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени
ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет
взаимосвязи времени и движения. Аристотель показывает, что время немыслимо, не
существует без движения, но оно не есть и само движение. В такой модели
времени впервые реализована реляционная концепция. Измерить время и выбрать
единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для
того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать
движение с максимальной скоростью. В современной физике это скорость света, в
античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.
Пространство для
Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального
мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей.
Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была
построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней
космоса Аристотеля. Его космологическая модель функционировала в неоднородном
конечном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был
разделен на два уровня: земной и небесный. Земной уровень состоял из четырёх
стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из эфирных тел, пребывающих в
бесконечном круговом движении. Аристотелю удалось создать самую совершенную,
для своего времени модель пространства – времени, просуществовавшую более двух
тысячелетий.
Следующим
значительным шагов в развитии представлений о природе пространства и времени
были работы представителей классической физики. Как и для античных
исследователей мира, для представителей классической физики 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. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию
абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую
формулировку в работе И. Ньютона “Математические начала натуральной философии”.
Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной
картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано
определение пространства, времени, места и движения.
Раскрывая
сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий:
абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся,
обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:
«Абсолютное,
истинное, материалистическое 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, не связано с объектами, помещенными в него, и 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. Время и
пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. При
таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми
самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо
материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. У
Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических
объектов.
Этот
взгляд близок к субстанциональному пониманию пространства и времени, хотя у
Ньютона они и не являются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают
лишь одним признаком субстанции - абсолютной самостоятельностью существования и
независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важным
качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их
основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за
материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя -
тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и
время и привел их в движение. Бог, являясь существом непространственным и
вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он
вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной
сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени, Бог существует
в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою
бесконечную мудрость и могущество, он создал мир из ничего, творит материю, а
вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь
мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план
развития и его существование прекратиться, а вместе с миром исчезнут пространство
и время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная
вездесущность. Подобные взгляды выражались еще Платоном, Аврелием, Августином,
Фомой Аквинским и их последователями.
В
этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержаться глубокие
противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обреченность его на грядущую
гибель не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости Бога.
Этим божественным атрибутам более соответствовало бы бесконечное множество
актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в
пространстве и времени. В каждом из них реализовывалась бы определенная идея,
данная этому миру Богом, а все множество этих идей создавало бы бесконечное
пространство и время. Подобные идей, высказанные в общем виде еще
александрийским теологом Оригеном (III в. н.э.) и
объявленные вскоре ересью, в Новое время развивались в философии Лейбница,
выдвинувшего идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциально
возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования
тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это
понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени,
которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего
реальностей, подвластных только Богу.
Наряду
с объективными представлениями о пространстве – времени существовали и идеалистические
концепции (Беркли, Мах, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в
зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека
переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так,
Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы
чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на
стабильность геометрии Евклида в течение двух тысячелетий.
После
выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно развиваться,
причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако,
вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась
в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к
выводу о волновой природе света вновь возникло понятие эфира - среды в
которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена
как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света
огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией
Ньютоновского абсолютного пространства.
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
распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к
понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие. Именно
это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках
классической физике, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и
квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты
материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.
Современное
понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности
А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и
времени и давней ей естественнонаучное обоснование.
Специальная
теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом
обобщения и синтеза классической механики Галелея - Ньютона и электродинамики
Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы всех физических процессов при
скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При
уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая,
таким образом, оказывается ее частным случаем”.[1]
Исходным
пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип
относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики
справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой
системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой.”[2] Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется
закону инерции, гласящему: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или
равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его
под влиянием движущихся сил.”[3]
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 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 - есть 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 нет? 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 только 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 “относительно” в
названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет
никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение 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.
Если
классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики
во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности
данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая
теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых
системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными
называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.
В
соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет
пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной
континуум, пространственно - временные свойства тел зависят от скорости их
движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при
приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные
процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.
Находясь
в сопутствующей системе отсчета, то есть, двигаясь параллельно и на одинаковом
расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые
называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях
пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом.
Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета
протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские
эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский
корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения
его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на
Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а
скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже
сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в
близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета
вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.
Подобные
процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально
регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при
столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле.
Мезоны существуют в течении 10-6 - 10-15 с (в зависимости
от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом
расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано
измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется
со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем
замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и
соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада. Итак,
специальная теория относительности базируется на расширенном принципе
относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение:
скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных
системах отсчета. Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней
приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь
сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света -
это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических
взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Она была
установлена XVX веке, составив 300 000 км/с. Это огромная
скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире.
Представим
себе эксперимент: большой спутник движется по орбите вокруг Земли, и с него,
как с космодрома, запускается ракета - межпланетная станция к Венере. Запуск
производится строго в направлении движения орбитального космодрома. Из законов
классической механики следует, что относительно Земли ракета будет иметь
скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно
орбитального космодрома плюс скорость самого космодрома относительно Земли.
Скорости движений складываются, и ракета получает довольно большую скорость,
которая позволяет преодолеть притяжение Земли и улететь к Венере.
Другой эксперимент:
со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно
спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света. Какова
скорость распространения света относительно земли? Она остается такой же. Даже
если свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном
направлении, то и тогда относительно Земли скорость света не изменится.
Эксперимент,
который должен был показать изменение скорости света в движущихся телах и
соответственно абсолютных характер движения этих тел, был выполнен в 1881
г. Майкельсоном (1852 - 1931). В последствии его не раз повторяли. По
существу, эксперимент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов,
идущих к экранам на корме и на носу движущегося корабля, но в качестве
корабля была использована сама Земля, движущаяся в пространстве со скоростью
около 30 км/сек. Далее, сравнивали не скорость луча, догоняющего тело и
луча, идущего навстречу телу, а скорость распространения света в продольном и
поперечном направлениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так
называемом интерферометре, один луч шел по направлению движения Земли - в
продольном плече интерферометра, а другой луч - в поперечном плече. Различие в
скоростях этих лучей должно было продемонстрировать зависимость скорости света
в приборе от движения Земли.
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, рефераты на тему, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое.
