Концепции пространства и времени

Саратовский государственный технический университет

Институт бизнеса и делового администрирования

Контрольная работа

по концепции современного естествознания

на тему: «Концепции пространства и времени»

студентки 1 курса заочного обучения

специальность: менеджер

группы МНЖ - 12

шифр : 0804082

Шабалиной Наталии Олеговны

Важнейшей задачей естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с изменением длин и длительностей, то есть пространственно - временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировалось представление о пространстве и времени.

В материалистической картине мира понятие пространства возникло 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 круговоротов 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. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе Исаака 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 типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую 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 одинаково 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 составляет 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. Это та концепция «черного ящика», о которой уже говорилось выше. 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 самостоятельности существования и независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важнейшим 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. Бог, являясь существом внепространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Чтобы полнее реализовать свою мудрость и могущество, он создает мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия материй. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его существование прекратится, а вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет вечность как атрибут бога и его бесконечная вездесущность. Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном, Аврелием Августином, Фомой Аквинским и их последователями. Ньютон также разделял эти взгляды. Лейбниц выдвинул идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциальном возможным миров. Он рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это понимание составило сущность концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего реальностей, подвластных только богу.

Есть 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 подле другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрий Евклида в течение двух тысячелетий.

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 провидению. Концепция 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 поле, 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 двадцатом 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 давшей ей естественнонаучное обоснование. Учение Эйнштейна о времени было совершенно новым словом в науке. Так как время и движение тесно связаны друг с другом - в результате признания относительности понятия времени устраняется так же и понятие «абсолютное движение». Лоренс вывел свои преобразования в 1904 году.

Классический принцип относительности был сформулирован еще Галилео 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 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 ни какой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

Например, путешественник в каюте корабля с полным основание 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 ли на самом деле книга или покоится? На этот вопрос нельзя ответить просто «да» или «нет». Книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем. Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого 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 смыслишь 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 тела к скорости света в вакууме (300000 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 часы 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 измерить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет меньше. Чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дольше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу переносится в близкое или более 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 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) одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Почему так важна скорость? Это вторая универсальная константа. Скорость света это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Она была установлена в Х!Х веке, составив 300000км/с. По сравнению с наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире она огромна. Так, например, скорость солнца в его движении вокруг центра Галактики - около 250 км/с, скорость Земли в ее орбитальном вращении вокруг Солнца - 30 км//с, скорость вращения Земли на экваторе равна 0,5 км/с.

Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же. Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

Созданная в 1905 году теория относительности привела к тому, что гипотеза эфира как носителя световых волн была устранена из физической картины мира. Эйнштейн заменил эфир электромагнитным полем. Так же он заметил, что скорость света играет в механике такую же важную роль, как в оптике. Скорость света выступает здесь как недостижимый верхний предел скорости для всех процессов, сопровождающихся передачей силы или переносом энергии. Скорость этих процессов никогда не может достичь скорости света и тем более превзойти ее, даже в том случае, когда к начальной скорости добавляется сколь угодно большое число скоростей. Из постоянства скорости света вытекают два «парадокса» теории относительности.

Один из парадоксов заключается в том, что размеры быстро движущихся тел сокращаются в направлении движения по сравнению с их длиной в состоянии покоя. Эта проблема побудила Лоренца выдвинуть электродинамическую гипотезу сокращения. Эйнштейн показал, что сокращение можно объяснить, рассматривая относительную скорость движения обеих систем отсчета.

Другой парадокс касается замедления хода часов в быстро движущейся системе по сравнению с часами, находящимися в системе, покоящейся по отношению к первой. Эффект замедления и эффект сокращения расстояний появляются лишь при скоростях, сравнимых со скоростью света. При больших скоростях меняется также закон сложения скоростей:

При сложении результирующая скорость всегда меньше скорости света, сложенная с любой скоростью, дает одно и то же значение С. Поскольку пространство и время неотделимы от материи. Правильнее было бы говорить о пространственно - временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального созерцания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и в мегамире. К всеобщим относятся также пространственно временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.

Из всеобщих свойств пространства и времени можно выделить:

1. Их абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования,

2. Их объективность и независимость от человеческого сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).

3. Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.

4. Единство прерывности и непрерывности их структуре - наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.

5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи - невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств. Везде, где есть взаимодействие и движение материи, существование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое созерцание все эти процессы.

Не раз в литературе высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, а их нужно объединить в понятие четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи - пространство-время. Связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением времени и наоборот. Но всех же пространств и время, наряду с общими характеристиками, имеют такие всеобщие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи.

К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность - рядорасположенность. Существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов.

2. Связность и непрерывность - проявляются в характере перемещений тел от точек к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия в передаче материи и энергии.

3. Трехмерность - общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех изменений (длина, ширина, высота). В одномерном или двумерном пространстве (линия, плоскость) не могли бы происходить взаимодействия частиц и полей.

4. Пространству присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Топологические свойства характеризуют связность. Трехмерность, непрерывность, неоднородность. Бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

К общим свойствам времени относятся:

1. Длительность - выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Аналогично протяженности пространства длительность относится к метрическим свойствам. Отсутствие длительности означало бы что и матеря в этом состоянии не обладает способностью сохранению и последовательной смене состояний, что равносильно отрицанию всякого материального бытия.

2. Непрерывность времени и прерывность - сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе предшествующих состояний в последующие. Время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний, но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

3. Необратимость - целенаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события - те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей. Но отдаленное будущее тоже нельзя воздействовать. Воздействовать можно на события настоящего. Понятие настоящего многозначно, ибо охватывает различные временные интервалы.

4. Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой.

Рассмотрим теперь специфические и локальные пространственно - временные свойства систем.

К пространственным свойствам относятся:

1. Конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел.

2. Наличие у них внутренней симметрии или ассиметрии.

3. Изотропность и неоднородность пространства.

По отношению ко времени специфическими являются свойства:

1. Конкретная длительность существования материальных систем от их возникновения до распада, ритмы процессов в них, соотношение между циклами изменений.

2. Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение между ними на разных этапах эволюции.

Итак, пространство и время - общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи и начала бытия. Найденное Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна. Понятие относительности стало одним из основных в современном существовании.

Список используемой литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, практикум, хрестоматия - М : Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998г.

2. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. - Концепции современного естествознания: учебное пособие - М: Высшая школа ,1998 г.

3. Рау В.Г. - Общее естествознание и его концепции ФГУП Издательство «Высшая школа» 2003 г.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания - М: Гардарики, 2002 г.