Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

 

Метрические свойства пространства вблизи поверхности Земли были детально исследованы многими геометрами Древней Греции, и обнаруженная ими статистическая картина Вселенной (представления об однородном и бесконечном пространстве) выразилась в системе аксиом и теорем евклидовой геометрии. Геоцентрическая система Птолемея, признававшая Землю единственным центром вращения во Вселенной, стала первой универсальной математической моделью мира. Люди были убеждены, что Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг Земли с регулярностью часов, тогда как сама Земля «закреплена». Геоцентризм господствовал в науке вплоть до 16 века. В этой модели мира время считалось бесконечной, а пространство – конечной характеристиками объектов.

Николай Коперник (Польша, 1473 – 1543) разрушил эти уютные представления о человечестве как центре Вселенной, показав, что в центре солнечной системы находится Солнце, а Земля вращается вокруг него. Развитие гелиоцентрической системы мира не только изменило существовавшую модель Вселенной, но и способствовало признанию бесконечности пространства. В ней концепция единого, однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

Развитию учения о пространстве способствовала концепция Кеплера, в которой свое практическое обоснование  получили выводы Д. Бруно о бесконечности Вселенной. Огромный вклад  в развитие классической механики сделал Г. Галилей, введя точный эксперимент, математическое описание явлений и сформулировав принцип относительности: все физические явления происходят одинаково во всех  инерциальных системах.

Рационалистическая физика Р.Декарта, в основу которой положена идея о  том, что все явления природы  объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц, дала дальнейшее развитие представлениям о  пространстве и времени. Была введена координатная система с новой пространственной осью – временем.

Он выдвинул тезис  о единстве физики и геометрии, который  привел его к отождествлению материальности и протяженности. Он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью, а время с длительностью.

Однако до появления  в 17 веке работы Исаака Ньютона динамические свойства мира не были включены в стройную математическую теорию, хотя доньютоновские представления о пространстве и времени подготовили математическое и экспериментальное обоснование их свойств в рамках классической механики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Познание пространства и времени в классической науке.

Значительным шагом 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 определял развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.

Ньютон сформулировал  законы движения материальных тел. Поскольку тело при движении проходит путь в пространстве в течение времени, такая теория с необходимостью связывает пространство и время через систему законов. Ньютон открыл простые математические взаимосвязи, управляющие движением идеализированных твердых тел.

Модель пространства, предложенная Ньютоном, была моделью  некой независимо существующей субстанции, в которой материальные тела и  излучение движутся подобно тому, как рыба плывет в воде. Каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если эти события случились в разные моменты времени.

Пространство и время 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. Подобные взгляды выражались еще Платоном, Аврелием, Августином, Фомой Аквинским и их последователями.

Ньютоново понятие времени строго опирается на представление об одновременности. Время в такой модели всеобще и абсолютно.  Всеобщность времени придает смысл понятию одновременности событий, происходящих в разных точках пространства. По Ньютону, пространство и время считаются абсолютными: это фиксированная арена, или субстрат, который не меняется от того, что происходит в нем с материальными телами. Пространство в определенных условиях способно воздействовать на материю, обратное действие материи на пространство исключается.

Рассматривая пространство как независимую субстанцию, теория Ньютона вступает в противоречие со взглядами реляционистов, полагающих, что пространственное и временное описание – всего лишь лингвистическая дань удобству при анализе взаимосвязи между материальными телами.

В ньютоновой модели пространства и времени имеет смысл говорить о скорости объекта в пространстве. Движение ощущается лишь в том случае, если оно не равномерно. Невозможно ощутить движение с постоянной скоростью, но ускоренное движение, при котором скорость меняется либо по абсолютной величине, либо по направлению, ощущается мгновенно.

Ньютон перевел эти  сугубо человеческие ощущения на строгий  язык математики, записав установленные  им законы движения таким образом, что  они вообще оказались не зависимыми от скорости физической системы, а только от её ускорения. О двух системах, движущихся равномерно, но с разными скоростями, можно осмысленно сказать лишь то, что они находятся относительно друг друга в состоянии равномерного движения.

 Обычно состояние  движения описывают относительно  системы отсчета. В ньютоновой  механике все равномерные движения относительны.

В противоположность  равномерному движению, которое в  теории Ньютона относительно, ускоренное движение там абсолютно. Ньютон не пытался  объяснить равномерное движение, которое можно рассматривать  как естественное состояние тел. Он постулировал, что ускоренное движение всегда вызывается какими-то причинами; причины такого рода он назвал силами.

Так называемый второй закон  движения Ньютона утверждает, что  ускорение тела прямо пропорционально  действующей на него силе. Следовательно, когда исчезает сила, обращается в нуль и ускорение, а тело продолжает двигаться с постоянной скоростью. Одно состояние равномерного движения нельзя отличить от другого подобного состояния никакими механическими средствами. Пространство само по себе не оказывает силового воздействия на движущиеся тела.

С помощью механических свойств тел невозможно определить ни положение тел в пространстве, ни их скорость. Тем не менее, ньютонова механика позволяет наблюдать ускоренные движения в пространстве. Ускорение приводит к возникновению сил инерции, которые Ньютон приписывал пространству, в котором происходит ускорение. Существование сил инерции можно было бы толковать как опровержение взглядов реляционистов и как доказательство физической реальности пространства.

Лейбниц же, критикуя представления Ньютона, 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 физики, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики.

Попытки подправить теорию эфира стали особенно жалкими, когда  на арену вышел новый могучий  ум. Альберт Эйнштейн (Германия, 1879-1955), один из величайших физиков мира, предложил не больше и не меньше как полностью отбросить привычную ньютоновскую картину пространства и времени, служившую так долго и успешно. Вместо нее он выдвинул совершенно новую теорию, которая в основном была опубликована в 1905 г. Эйнштейн назвал её частной (специальной) теорией относительности. Новая глава наука была открыта. 

В основе СТО лежит  отрицание реальности ньютонова  пространства. Понятие абсолютно  покоящейся системы отсчета, относительно которой можно было бы измерить скорость объекта в пустом пространстве,- чистейшая фикция. Равномерное движение одной системы может быть определено только относительно какой-нибудь другой материальной системы. Все инерциальные системы равноправны. Никаким опытом – не только механическим, но вообще любым физическим – совершенно невозможно обнаружить абсолютную скорость движения системы в пространстве.

Основной принцип специальной  теории относительности утверждает, что скорость света всегда и везде  одинакова. Это означает, что свет имеет одну и ту же скорость вне зависимости от того, измеряется ли она на Земле или на быстро движущейся ракете, покоится ли источник света, летит навстречу наблюдателю или удаляется прочь от него.

Специальная теория относительности  – это результат обобщения  классической механики и электродинамики Максвелла – Лоренца. Её эффекты обнаруживаются при скоростях, близких к световым, а при скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.

 

 

 

 

Заключение.

 

Проблема времени  и пространства всегда интересовала человека. Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и длинностей, то есть пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

Итак, в ходе работы были выявлены основные значения понятий «время» и «пространство», прослежено их развитие и значимость, определены рамки познания в классической науке.

На протяжении развития этих понятий существовали разные гипотезы и о времени, и  о пространстве. Некоторые отрицали возможность существования пустого пространства, а некоторые утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для перемещений и соединений. Но все они подготовили почву для обоснования свойств пространства и времени в рамках классической механики.

Так, новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, была представлена в классической механике И. Ньютона. В рамках Ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения. В основополагающем труде Ньютона «Математические начала натуральной философии» было дано определение понятий пространства, времени, места и движения.

Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца 19 века.

Библиографический список.

 

1. Ахундов М.Д. Концепции   пространства   и   времени:   истоки, эволюция, перспективы. — М.: Наука, 2008.