Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Понятия пространства и времени являются необходимыми составляющими картины мира в целом. Учение о пространстве и времени углубляется и усложняется вместе с развитием естествознания и, прежде всего, физики. Из других наук о природе значительную роль в прогрессе учения о пространстве и времени сыграла астрономия, особенно космология.
Пространственно-временные отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, которые присущи объектам того или иного класса, поскольку эти отношения зависят от структуры и материального объекта, и внутреннего взаимодействия между его составными частями. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, длительность существования, ритмы процессов, типы симметрии являются существенными параметрами объекта данного типа, характеристики зависят также от условий, в которых он существует. Особенно специфическими являются пространственные и временные отношения в таких сложных, способных к развитию объектах, как организм. В этом случае можно говорить об индивидуальном пространстве и времени для таких объектов (например, о биологическом или социальном времени).
Важнейшие проблемы, касающиеся пространства и времени, - это вопрос о сущности пространства и времени, о взаимосвязи этих форм бытия с материей, об объективности пространственно-временных отношений и закономерностей.
На протяжении почти всей истории естествознания и философии существовали две основные концепции пространства и времени. Одна из них это концепции древних атомистов - Демократа, Эпикура, Лукреция, которые обосновали понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное (одинаковое во всех точках) и бесконечное. (Эпикур, однако, считал, что пространство не является изотропным, то есть он неодинаков в разных направлениях). Понятие времени тогда было разработано крайне слабо и рассматривалось как субъективное восприятие действительности. В Новое время в связи с разработкой основ динамики, концепцию времени и пространства развил Исаак Ньютон, очистив ее от антропоморфизма. По Ньютону, пространство и время - это особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Пространство само по себе (абсолютное пространство) является пустым "вместилищем тел", абсолютно недвижимым, непрерывным, однородным и изотропным, пропускающим, бесконечным, он не влияет на материю и не поддается ее влиянию, имеет три измерения. От абсолютного пространства Ньютон отличал длину тел - их основное свойство, благодаря которому они занимают определенные места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Абсолютное пространство вследствие неразличимости своих частей непознаваем и является неизмеримым. Положения тел и расстояния между ними можно определить только по отношению к другим телам. Иными словами, наука и практика имеют дело только с относительным пространством. Время в концепции Ньютона само по себе является чем-то абсолютным и ни от чего не зависящим, чистой продолжительностью как таковой, равномерно течет от прошлого к будущему оно является пустым "вместилищем событий", которые могут его заполнить, но могут и не заполнять; ход событий не влияет на ход времени.
Независимость пространства и времени проявляется прежде всего в том, что расстояние между двумя данными точками пространства и промежуток времени между двумя событиями сохраняют свои значения независимо друг от друга в любой системе отсчета, а соотношения этих величин (скорости тел) могут быть любыми.
Ньютон подверг критике идею Декарта о заполненном мировом пространстве, т.е. о тождестве протяженной материи и пространства.
Концепция пространства и времени, которую разработал Ньютон, была господствующей в естествознании в течение XVII – XIX веков, потому что отвечала науке того времени - евклидовой геометрии, классической механике и классической теории ее тяжести. Законы ньютоновской механики исполняются только для инерциальных систем отсчета. Эта специфика инерциальных систем объясняется тем, что движение в них происходит поступательно, равномерно.
Согласно ньютоновской теории тяготения, действие от одних частиц вещества к другим передается мгновенно через пустое пространство, разделяющее их. Ньютоновская концепция пространства и времени, таким образом, полностью соответствовала физической картине мира той эпохи, в частности представлению о материи как изначально протяженную и неизменную своей природе. Существенным противоречием в концепции Ньютона было то, что абсолютные пространство и время оставались в ней непознаваемым путем опыта. Согласно принципу относительности классической механики, все инерционные системы отсчета являются равноправными, и невозможно выявить, движется система или находится в состоянии покоя. Это противоречие стало аргументом для сторонников противоположной концепции пространства и времени, исходные положения которой уходят корнями еще во времена Аристотеля. Это представление о пространстве и времени сформулировал Г. Лейбниц, опираясь частично на некоторые идеи Декарта. Особенность Лейбницевой концепции пространства и времени заключается в том, что она отрицает представление о пространстве и времени как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от нее. По убеждению Лейбница, пространство - это порядок взаимного расположения множества тел, которые существуют независимо, время - порядок в изменении явлений или состояний тел. Пространство есть отношение, касающееся только многих тел. Можно говорить только об относительных размерах данного тела в сравнении с размерами других тел. То же самое можно сказать о продолжительности: понятие длительности применимо относительно отдельного явления постольку, поскольку оно рассматривается как звено в единой цепи событий. Протяженность любого объекта, не является первичным свойством, а вызвана силами, действующими внутри объекта; внутренние ее внешние взаимодействия определяют и длительность состояния. Однако, концепция Лейбница пространства и времени не сыграла важную роль в естествознании XVII-XIX веков, потому что она не могла дать ответы на вопросы, поставленные наукой той эпохи Прежде, казалось, отрицали существование вакуума (только после открытия физического поля в XIX веке проблема вакуума предстала в новом свете), кроме того, они явно противоречили общему убеждению о единственности и универсальности евклидовой геометрии, наконец, концепцию Лейбница считали несовместимой с классической механикой, поскольку казалось, что признание чистой относительности движения не может удовлетворительно объяснить определяющую роль инерциальных систем отсчета.
Таким образом, в то время, когда жил и творил Лейбниц, естествознание еще не могло воспринять его концепции пространства и времени, которая базировалась на гораздо более широкой философской основе. Только два века спустя началось накопление научных фактов, которые показали ограниченность представлений о пространстве и времени.
В конце XIX - начале XX века произошли глубокие изменения в научных представлениях о материи и, соответственно, радикальное изменение понятий пространства и времени. Физическую картину мира дополнила концепция поля как формы материальной связи между частицами вещества, как особой формы материи. Все тела, таким образом, представляют собой систему заряженных частиц, связанных полем, передающую действия от одних частиц к другим с конечной скоростью - скоростью света. Предполагали, что поле - это состояние эфира, абсолютно неподвижной среды, заполняющей мировое абсолютное пространство. Позже было установлено Лоренцем, что когда движение тел происходит с очень большими скоростями, близкими к скорости света, поле изменяется, что приводит к изменению пространственных и временных свойств тел, при этом Лоренц считал, что длина тел в направлении их движения сокращается, а ритм физических процессов, происходящих в них, замедляется, причем пространственные и временные величины изменяются согласованно.
Поначалу казалось, что таким путем можно будет определить абсолютную скорость тела относительно эфира, а следовательно, по отношению к абсолютному пространству. Однако вся совокупность опытов опровергла этот взгляд, было установлено, что в любой инерциальной системе отсчета все физические законы, включая законы электромагнитных (и вообще полевых) взаимодействий, одинаковы. Специальная теория относительности Эйнштейна, основана на двух фундаментальных положениях, - о предельности скорости света и равноправии инерциальных систем отсчета, стала новой физической теорией пространства и времени. Из нее следует, что пространственные и временные отношения - это длина тел (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нем, являются не абсолютными величинами, как утверждала механика Ньютона, а относительными. Относительность пространственно-временных характеристик тел полностью подтверждается с помощью опытов. Пространство и время являются общими формами координации материальных явлений, а не самостоятельными началами бытия, независимыми от материи. Теория относительности опровергает представление о пустых пространстве и времени, которые имеют собственные измерения. Представление о пустом пространстве было отвергнуто позже и в квантовой теории поля с его новым понятием вакуум.
Дальнейшее развитие теории относительности (общей теории относительности Эйнштейна) показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени не является евклидовой (или \"плоской\"), т.е. независимой от величины пространства-времени, а изменяется от одной части космоса к другой, в зависимости от плотности масс в этих местах и их движения. В масштабах Метагалактики геометрия пространства изменяется со временем, вследствие расширения Метагалактики.
Связь пространства и времени с материей выражается не только в зависимости законов пространства и времени, но и от общих закономерностей, которые определяют взаимодействие материальных объектов. Она проявляется также в наличности характерного ритма существования материальных объектов и процессов - типичных для каждого класса объектов средней продолжительности жизни и средних пространственных размеров. Из изложенного следует, что пространству и времени свойственны общие физические закономерности, касающиеся всех объектов и процессов. Это имеет отношение и к проблемам, связанным с топологическими свойствами пространства и времени. Проблема границы (соприкосновения) отдельных объектов и процессов непосредственно связана с вопросами, которые привлекали внимание еще в древности. Речь идет о конечной или бесконечной делимости пространства и времени, их дискретности или непрерывности. В науке XVII-XIX столетий идея атомизма пространства и времени потеряла всякое значение, Ньютон считал, что пространство и время реально расчленены до бесконечности. Этот вывод следовал из его концепции пустых пространства и времени, наименьшими элементами которых являются геометрическая точка и момент времени. Лейбниц считал, что хотя пространство и время делимы до бесконечности, но реально не расчленены на точки - в природе нет объектов и явлений, лишенных размеров и продолжительности. Из представления о неограниченной делимости пространства и времени не следует, что и границы тел, и явлений являются абсолютными. Представление о непрерывности пространства и времени еще больше окрепло в XIX веке с открытием поля: в классическом понимании поле абсолютно непрерывный объект.
Проблема реальной делимости пространства и времени появилась в XX веке в связи с открытием в квантовой механике соотношение неопределенностей. Согласно соотношению неопределенностей для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что в физическом аспекте является невыполнимой задачей. Больше того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она не сохраняется. Таким образом, современная физика установила, что невозможно не только реально осуществить разделение пространства и времени на точки, но и принципиально невозможно осуществить процесс реального бесконечного их разделения. Решение вопроса о квантовании пространства и времени тесно связано с проблемами структуры элементарных частиц. Появились исследования, которые вообще отрицают применимость к субмикроскопическому миру понятий пространства и времени. Однако понятия пространства и времени не должны сводиться ни к метрическим, ни к топологических отношений известных типов.
Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств в природе взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии пространства и времени. Еще в 1917 году Нетер доказала, что однородности пространства отвечает закон сохранения импульса, однородности времени - закон сохранения энергии, изотропности пространства - закон сохранения момента количества движения. Таким образом, типы симметрии пространства и времени как общие формы координации объектов, и процессов взаимосвязаны с важнейшими законами сохранения. Симметрия пространства при зеркальном отражении оказалась зависимой от существенной характеристики микрочастиц и их четности.
Одной из важнейших проблем пространства и времени является вопрос о направленности течения времени. В ньютоновской концепции — это свойство времени считалось понятным и само собой и не требовало обоснования. В концепции Лейбница необратимость течения времени связывалась с однозначной направленностью цепи причин и следствий. Очевидно, направленность времени связана с такой интегральной характеристикой материальных процессов, как развитие, что является принципиально необратимым.
Среди проблем пространства и времени, которые привлекали внимание еще в древности, - вопрос о количестве измерений пространства и времени. В ньютоновской концепции — это количество считалась изначально неизменным. Однако еще Аристотель обосновал трехмерность пространства в зависимости от количества возможных связей (делений) тела. Интерес к этой проблеме возрос в XX веке с развитием топологии. Л. Бауэр установил, что размерность пространства является топологическим числом, не меняется при непрерывных и взаимно однозначных преобразований пространства. В ряде исследований была установлена связь между количеством измерений и структурой электромагнитного поля, между трехмерностью пространства и спиральностью элементарных частиц. Все это подтвердило, что количество измерений пространства и времени неразрывно связано с материальной структурой окружающего мира.
Концепции современного естествознания - Карпов Я. С.: Раздел “Современная физическая картина мира”.