Общая характеристика основных концепций пространства и времени второй половины XX века

Размещено на http://www.allbest.ru

Федеральное агентство по образованию

Волгоградский государственный педагогический университет

Кафедра философии и политологии .

Реферат

по предмету Концепции современного естествознания

на тему: «Общая характеристика основных концепций пространства и времени второй половины XX века».

Работу выполнила Киреева Е.В.

Волгоград, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Задолго до научного подхода к проблемам пространства и времени древние учёные, теоретики, философы, политики, военные предводители и другие мыслящие люди искали подходы к понятию мироздания через призму человеческого мышления. Понятия пространства и времени напрямую относятся к фундаментальным, основополагающим понятиям культуры, об этом можно судить из древних мифологических и религиозных, а так же философских систем, где пространство и время рассматривалось как генетическое начало мира (так например эрва, хаос, акаша и кала и так далее). В дальнейшем интерес человека к этим проблемам не угасал, напротив с возникновением наук, в частности физики, обсуждение приняло научную основу и пространственно временная проблема выделилась особой актуальностью, а так же постоянной новизной, среди многочисленных философских проблем теоретической физики. Итак, именно физика превратила чистый интерес к познанию мира в глобальный процесс нахождения способа теоретического описания механического и темпорального движения. Именно физика, по моему мнению, выступает наукой-лидером современного естествознания. Большинство физических понятий вводятся посредствам операционных правил, в которых используются именно расстояния в пространстве, времени или в пространстве и времени. Физика берёт эти понятия за основу. Также можно вспомнить достижения фундаментальной теоретической физики в построении единых теорий, связанных с развитием представлений о структуре, свойствах и статусе пространства и времени: твисторная теория, квантовая теория поля в искривлённом пространстве-времени, супергравитация, суперструнная теория, вакуумная концепция, философские представления и другие, - обсуждаются проблемы метрики, топологии, размерности пространства и времени, геометризации физики и другое. Постоянно появляются интересные труды о пространстве и времени российских и зарубежных представителей. Однако философский анализ концептуальных представлений пространства и времени в единичных теориях физических взаимодействий ещё не достаточен, неясны принципы позволяющие выделить и классифицировать физические и философские концепции пространства и времени и так далее, итак, не выявлена полная система физических и философских концепций пространства и времени, не обобщены концепции доплановского структурного уровня и плановского уровня вместе с физическими теориями, не удовлетворителен анализ эволюции пространства и времени в связи с эволюцией Вселенной и другое.

Каждая проблема многогранна и актуальна. Но проблематика пространства и времени едина, а также помимо того, что каждую проблему нельзя изучать абстрагируя от других, нужно рассматривать всё в едином потоке человеческой мысли возникающей в процессе эволюции.

Целью реферата является определение понятий пространства и времени, определение и характеристика основных концепций пространства и времени второй половины XX века.

Начинать исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии и анализировать затем весь процесс развития пространственно - временных представлений вплоть до наших дней.

Наши современные представления о пространстве и времени тел восходят к Галилею и Ньютону. До них бытовала точка зрения Аристотеля. Пространство и время являются фундаментальными формами существования материи. Если придерживаться геометродинамической доктрине, которая звучит: в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривлённого пространства, можно увидеть определенную теоретическую фундаментальность пространства и времени. Классическая физика рассматривала пространственно: временной континуум - как универсальную арену динамики физических объектов (пространство - само по себе, время - тоже само по себе). Однако развитие неклассической физики (физики элементарных частиц, квантовой физики и др.) выдвинуло новые представления о пространстве и времени. Оказалось, что эти категории не независимы друг от друга, а органически связаны между собой. До создания А. Эйнштейном в 1916 г. общей теории относительности (иначе её называют теорией пространства-времени) думали иначе, основываясь на законах механики И. Ньютона, а также на открытом им же законе всемирного тяготения. Поэтому доэйнштейновские представления о пространстве и времени называют ньютоновскими. Не следует думать, что создание эйнштейновской теории пространства-времени означало неправильность законов Ньютона. На самом деле, как оказалось, они верны лишь в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по тем же меркам промежутков времени. Они перестают соответствовать действительности только тогда, когда речь идет об описании Вселенной в целом или, по крайней мере, доступной астрономическим наблюдениям ее части, которую называют Метагалактикой, а также в сильных полях тяготения. Теория относительности связала в высшем единстве классическую механику и электродинамику, и пересмотрела основные понятия и положения классической механики, относящиеся к длине и длительности, к массе, энергии, импульсу и так далее, подчинив их новым физическим понятиям и положениям, полнее и глубже отражающим движущуюся материю.

Наука делает новые более высокие витки на спирали познания, но складывается впечатление что, чем выше уровень развития науки, тем глубже во времени приходится искать предтечи и основы современных представлений. Сегодня мы являемся свидетелями вторжения науки на такой уровень фундаментальных свойств материи, которым, пожалуй, соответствуют «сумасшедшие идеи», имеющие истоки уже не только античных наук (кстати, неисчерпаемые источники современных концепций), а в более глубоких слоях интеллектуальных завоеваний человеческой культуры.

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.

Итак, задолго до научного подхода к проблемам пространства и времени, появившиеся с возникновением и развитием теоретической физики, были выдвинуты два различных понятия пространства и времени и были охарактеризованы и сформулированы Эйнштейном в 1954году в предисловии к книге Джема «Концепции пространства» следующим образом: 1)пространство - свойство материальных объектов занимать определенное положение ( место); 2) пространство- содержит в себе все материальные объекты. В первом случае пространство немыслимо без материального объекта. Во втором случае материальный объект мыслим только в пространстве, в этом случае реальность - пространство, обладающее большей общностью по сравнению с материальным миром [3, с. 120 - 125].

Общим для Аристотеля и Ньютона было признание абсолютного времени - оба полагали, что время между двумя событиями можно измерить однозначно и что результат не зависит от того, кто осуществляет измерения, лишь бы были в наличии у измеряющего правильные часы. Время считалось полностью отделенным от пространства и не зависящим от него.[2]

В. И. Ленин отмечал разное соотношение науки и мифологии на различных ступенях развития: «А теперь! То же, та же связь, но пропорция науки и мифологии иная» [7, с. 225], поэтому к началу ХХ века обнаружилась необходимость в коренном пересмотре представлений о пространстве и времени. Эксперименты свидетельствовали, что принцип относительности Галилея (в соответствии, с которым механические явления протекают одинаково во всех инерционных системах отсчета) может быть отнесен и к области электромагнитных явлений.

Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчёта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени. Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна.

Переход от классической механики к специальной теории относительности можно представить так: на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству - времени; на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени Эйнштейна.[1]

Предлагаемые новые названия, новые концепции, а также трактовка ранее существующих различных пространственно-временных концепций не могут разрешить все трудности концептуальной проблемы пространства и времени. Чтобы строить концепции пространства и времени , дополняющие и обобщающие существующие следует иметь полную ясность в вопросе о том, какие отличительные признаки должны быть присущи концепциям и какие смыслы следует иметь полную ясность в вопросе о том, какие характерные признаки должны быть присущи концепциям и какие смыслы следует вкладывать в термин «форма существования материи». Без решения этих вопросов надежды на успех мало вероятны.

Мир принято называть совокупностью всех возможных событий и каждому событию соответствует мировая точка. Реальное пространство представляется трехмерным, а время - одномерным. Если рассматривать произвольную точку, то её положение будет рассмотрено тремя параметрами, а время - одним. Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение, структурность и протяженность отдельных элементов материи относительно друг друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений.

Понятия пространства и времени составляют основу физики. Согласно классической физике, созданной Исааком Ньютоном, физические взаимодействия разворачиваются в бесконечном трёхмерном пространстве -- так называемом абсолютном пространстве, время в котором может быть измерено универсальными часами (абсолютное время).[1]

Пространство - всеобщая объективная форма существования материи, являющаяся необходимым условием возникновения и движения конкретных материальных систем.

К специфическим свойствам пространства относятся:

o протяженность;

o непрерывность и связность (как отсутствие разрывов);

o трехмерность (длина, ширина, высота);

o наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве;

o наличие симметрии или асимметрии;

-изотропность (отсутствие верха, низа и др.);

Время - всеобщая объективная форма существования движущей материи, являющая необходимым условием возникновения и измерения конкретных материальных систем и выражающая структурность, темп, длительность материальных процессов и объективную последовательность событий.

К специфическим свойствам времени относятся:

o длительность;

o единство прерывного и непрерывного;

o необратимость;

o одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему);

o конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы);

o неодновременность событий в разных системах.

К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:

o Объективность и независимость от сознания человека;

o Абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи;

o Неразрывность между собой и движущейся материей;

o Единство непрерывности и прерывистости в их структуре;

o Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.

Кроме общих пространства и времени, некоторые авторы выделяют в качестве самостоятельных: биологическое, социальное, индивидуальное, художественное, историческое и др. пространства и время. Основания для этого есть, но во всех этих специфических системах проявляются в большинстве общие пространственно-временные свойства.

Пространство и время - это не самостоятельные сущности, а конкретные формы бытия, существования движущихся материальных систем. [12]

Как я уже говорила выше, в истории науки известны две концепции пространства и времени: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд Ньютона) и тела связанные в пространстве (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

Итак, вернёмся ещё раз, и обозначим эволюцию концепций пространства и времени в философии средневековья и нового времени.

Начиная с Аристотеля, с определённой долей условности, можно выделить три пути развития концепций пространства и времени. [1] Воедино сойдутся эти концепции лишь в системе Ньютона. Что собой представляют эти пути?

Во-первых, это философский путь развития концепций пространства и времени. Так абсолютное и относительное пространства Ньютона были сформированы из топоса и порядка представленного Аристотелем. А учения Ньютона об абсолютном и относительном времени были трансформированы из древнейших представлений о первом и частных временах, о вечности и времени. Причём если ранняя христианская теология ассимилировала из древнегреческой философии лишь некоторые платонистские или неоплатонистские и перипатетические идеи, то в дальнейшем развитии западная философия постепенно открыла для себя всю величественную концептуальную панораму античной философии. И эволюция концепции пространства и времени шла с учётом и подключением всего интеллектуального наследства Древней Греции (см. [5] с. 320). В дальнейшем этот многоуровневый процесс нашёл относительное завершение в натурфилософии Ньютона. Эта философия синтезировала в себе пространственно-временные концепции двух выдающихся древнегреческих антагонистов - Аристотеля и Демокрита.

Второй путь определяется из геометрии Евклида, величайшего завоевания античной математики и основа геометрического учения о пространстве.

«Начала» Евклида предстают перед нами как аксиоматическая система. Этот тип организации и развития теоретического знания был признан оптимальным и наложил существенный отпечаток на характер филосовских и естественнонаучных разработок последующих эпох, а также акцентировал внимание на дедукции, а не на откровении. Но этим не ограничивается значимость геометрии Евклида - в сочетании с временным параметром она легла в основу классической кинематики, а её дальнейшее физическое обогащение (масса, сила и так далее) привело к динамике Ньютона. Так геометрию Евклида Эйнштейн рассматривал как древнейшую ветвь физики. В геометрии Евклида интересным является то, что её можно рассматривать как определённую самостоятельную картину мира, и вполне согласиться с К. Поппером и И. Лакатосом, в их оценке геометрии Евклида, как космологической теории (см. [6] с. 70). Картина мира Евклида отлична от аристотелевской и носит скорее платонистски-пифагорейский характер, включая в себя представление об однородном и бесконечном пространстве (см. [4] с. 121).

Третий путь - это эволюция концепций пространства и времени в динамике динамики. У Аристотеля мы имеем дело с фактически первой физической динамикой со специфическими законами и принципами. С этой динамикой были (во времена Аристотеля) органично связаны соответствующая картина мира, концепция естественных мест, пространств, движений, различные статусы прямолинейного и кругового движения, а так же отнесение их к различным уровням мира и так далее.

По Аристотелю, о динамике можно рассуждать об абсолютном расстоянии между двумя событиями в пространстве, даже если разность времён между ними не будет равна нулю. Так определена весьма специфическая пространственно-временная структура динамики Аристотеля, долгое время оставалась актуальной, и была в дальнейшем пересмотрена и не нашла своего отражения в работах по динамике ни Галилея, ни Декарта или Ньютона. Сейчас этими именами определяются (хотя и не исчерпываются) узловый точки на пути динамики - мы можем реконструировать пространственно-временные структуры динамики представленный Аристотелем, Галилеем, Декартом, Ньютоном.

Важно отметить, что вышеуказанные три пути развития концепции пространства и времени в реальной эволюции (мировой исторической действительности) находились в сложном диалектическом единстве. Однако мы не можем в логико-историческом исследовании «схватить» сразу все эти аспекты и моменты концепции пространства и времени. Поэтому мы вынуждены строить определённое множество реконструкций: философскую, математическую, динамическую, эмпирическую и так далее. Мною будут более подробно рассмотрены первые три пути концепций пространства и времени.

Постаристотелевская древнегреческая философия не внесла ощутимого вклада в развитие концепции пространства и времени. В основном были использованы либо платоновские, либо перипатетические представления хотя представления античных атомистов не были забыты.

Концепция абсолютного пространства и времени разработанная Исааком Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии», в которой были определены понятия пространства, времени, места и движения. раскрывала сущность пространства и времени, выделяла два типа этих понятий: абсолютные и относительные. И. Ньютон склонился к мнению, что пространство - это свойство некоего объективно существующего не телесного субстрата, которое можно рассматривать и само по себе, не заостряя внимания на его связи с объектом. Ньютон считал, что «в делах философских необходимо отвлечение от чувств» [8, с. 32], и при создании концепции он не воспринимал чувства а полагался на свойства и отношения физические и истинные, так и обозначив их как абсолютные и относительные.

Абсолютное, истинное, математическое время, т. е. без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или, обыденное, время - это внешняя совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни (час, день, месяц, год и т. д.). Абсолютное пространство всегда безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда неизменным, одинаковым и неподвижным. Относительное пространство существует всегда относительно других тел.

Таким образом, пространство время являются как бы вместилищами самих себя и всего существующего, как некий «черный ящик», куда помещены все объекты бытия. По своей эффективности суждения Ньютона сравнимы с суждениями-принципами Эйнштейна, которые будут описаны позднее. Итак, согласно Ньютону [8], в самой природе имеют место два пространства и два времени - чувственное(относительное) и нечувственное(абсолютное). Самое главное, что сделал Ньютон в отношении пространства и времени, - это построил субстратные концепции пространства и времени и указал необходимость поиска их физической экспликации и эмпирической верификации на невещественных видах материи. Окончательное решение проблемы физической экспликации и эмпирической верификации ньютоновских концепций пространства и времени выпало на долю Эйнштейна.

Реляционная концепция Лейбница - рассматривала пространство как порядок сосуществования тел, а время как порядок отношения и последовательность событий. «..пространство, как и время,… число относительное; пространство - порядок существований, а время - порядок последовательностей » [9. с. 142, с. 479].

Беркли, Мах, Авенариус считали пространство и время порождением человеческого сознания.

И. Кант понимал пространство и время как вечные, неизменные категории сознания. «положение частей пространства относительно друг друга предполагает определенное направление, по которому эти части расположены именно так, а не иначе; это направление, взятое в самом абстрактном смысле , заключается не в отношении одной находящейся в пространстве вещи к другой…, а в отношении системы этих положений к абсолютному мировому пространству… как единству, с точки зрения которого всякое протяжение должно рассматриваться как его часть» [10]

Концепция дальнодействия в физике утверждала, что гравитационные и электрические силы мгновенно распространяются через пустое абсолютное пространство.

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 поля как среды, передающей взаимодействие.

В ХХ веке, после крушения гипотезы эфира, пространство и время стали рассматриваться как атрибуты материи. Постепенно физика начинает подходить к рассмотрению одной из важных проблем, а именно [11, с. 229] «соединить, связать, совместить всеобщий принцип развития с принципом единства мира, природы, движения материи…»

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.

Фундаментальный постулат этой теории относительности, как стали называть новую теорию, состоял в том, что законы науки должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Этот постулат был справедлив для законов движения Ньютона, но теперь он был распространен на теорию Максвелла и на скорость света; скорость света, измеренная любыми наблюдателями, должна быть одинакова независимо от того, с какой скоростью движутся сами наблюдатели. Из этого простого принципа вытекает ряд замечательных следствий. Самые известные из них - это, наверное, эквивалентность массы и энергии, нашедшая свое выражение в знаменитом уравнении Эйнштейна

Е = mc²

где Е - энергия, m - масса, а с - скорость света), и закон, согласно которому ничто не может двигаться быстрее света. В силу эквивалентности массы и энергии энергия, которой обладает движущийся объект, должна теперь добавляться к его массе. Другими словами, чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость. Правда, этот эффект существенен лишь при скоростях, близких к скорости света. Если, например, скорость какого-нибудь объекта составляет 10% скорости света, то его масса лишь на 0,5% больше нормальной, тогда как при скорости, равной 90% скорости света, масса уже в 2 раза превышает нормальную. По мере того как скорость объекта приближается к скорости света, масса растет все быстрее, так что для дальнейшего ускорения требуется все больше и больше энергии. На самом деле скорость объекта никогда не может достичь скорости света, так как тогда его масса стала бы бесконечно большой, а поскольку масса эквивалентна энергии, для достижения такой скорости потребовалась бы бесконечно большая энергия. Таким образом, любой нормальный объект в силу принципа относительности навсегда обречен двигаться со скоростью, не превышающей скорости света. Только свет и другие волны, не обладающие «собственной» массой, могут двигаться со скоростью света.

Другое замечательное следствие из постулата относительности - революция в наших представлениях о пространстве и времени. По теории Ньютона, если световой импульс послан из одной точки в другую, то время его прохождения, измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (поскольку время абсолютно), по пройденный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (так как пространство не является абсолютным). И поскольку скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на время, разные наблюдатели будут получать разные скорости света. В теории относительности же все наблюдатели должны быть согласны в том, с какой скоростью распространяется свет. И коль скоро у них нет согласия в вопросе о расстоянии, пройденном светом, у них не должно быть согласия и в том, сколько времени шел свет. (Время прохождения - это пройденное светом расстояние, относительно которого нет согласия у наблюдателей, деленное на скорость света, относительно которой все согласны). Иными словами, теория относительности покончила с понятием абсолютного времени! Оказалось, что у каждого наблюдателя должен быть свой масштаб времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, и что показания одинаковых часов, находящихся у разных наблюдателей, не обязательно согласуются.

Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам. Это означает, что, если в движущемся поезде бросить вверх мяч, то он упадет вниз, а не назад. Покоящийся в движущемся поезде предмет для человека, стоящего на перроне, будет восприниматься как движущийся. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета.

В специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединила 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 (300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются на уровне элементарных частиц.

Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, частиц, полей, волн.

Общая теории относительности подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено еще в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам. Возникающим под действием ускорения.

Общая теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Было установлено, что при прохождении сигнала вблизи Солнца, его задержка составила 0,0002 с. Общая теория относительности допускает полную остановку времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи предполагаемых сверхплотных космических объектов, испытывающих сверхсжатие, т. н. черных дыр. [2]

Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L) и кванта времени, равного отношению L/c, ограничивающего точность определения временных интервалов.[1

С 1908 по 1914 г. Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить такую модель гравитации, которая согласовалась бы со специальной теорией относительности. Наконец в 1915 г. он опубликовал теорию, которая сейчас называется общей теорией относительности.

Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация - это не обычная сила, а следствие того, что пространство _время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая - это самый короткий (или самый длинный) путь между двумя соседними точками. Например, поверхность Земли есть искривленное двумерное пространство. Геодезическая на Земле называется большим кругом и является самым коротким путем между двумя точками. Поскольку самый короткий путь между двумя аэропортами - по геодезической, диспетчеры всегда задают пилотам именно такой маршрут. Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве _ времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям. (Понаблюдайте за самолетом над холмистой местностью. Сам он летит по прямой в трехмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двумерной поверхности Земли).

Масса Солнца так искривляет пространство _время, что, хотя Земля движется по прямой в четырехмерном пространстве, мы видим, что в нашем трехмерном пространстве она движется по круговой орбите. Орбиты планет, предсказываемые общей теорией относительности, почти совпадают с предсказаниями ньютоновской теории тяготения. Однако в случае Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное действие гравитации и имеет довольно вытянутую орбиту, общая теория относительности предсказывает, что большая ось эллипса должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на один градус в десять тысяч лет. Несмотря на его малость, этот эффект был замечен еще до 1915 г. и рассматривался как одно из подтверждений теории Эйнштейна. В последние годы радиолокационным методом были измерены еще меньшие отклонения орбит других планет от предсказаний Ньютона, и они согласуются с предсказаниями общей теории относительности.

Лучи света тоже должны следовать геодезическим в пространстве времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно. Таким образом, согласно обшей теории относительности, луч света должен изгибаться в гравитационных полях, и, например, световые конусы точек, находящихся вблизи Солнца, должны быть немного деформированы под действием массы Солнца. Это значит, что луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклониться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду в другой точке (см Приложение 1). Конечно, если бы свет от данной звезды всегда проходил рядом с Солнцем, мы не могли бы сказать, отклоняется ли луч света или же звезда действительно находится там, где мы ее видим. Но вследствие обращения Земли все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В результате их видимое положение относительно остальных звезд меняется. [13]

В нормальных условиях этот эффект очень труден для наблюдения, так как яркий солнечный свет не позволяет видеть звезды, находящиеся на небе рядом с Солнцем. Но такая возможность появляется во время солнечного затмения, когда Луна перекрывает солнечный свет. В 1915 г. никто не смог сразу проверить предсказанное Эйнштейном отклонение света, потому что шла Первая мировая война. Лишь в 1919 г. английская экспедиция в Западной Африке, наблюдавшая там солнечное затмение, показала, что свет действительно отклоняется Солнцем так, как и предсказывала теория. То, что английские ученые доказали правильность теории, родиной которой была Германия, приветствовалось как еще один великий акт примирения обеих стран после войны. Но, хотя это выглядит иронично, проведенный позднее анализ фотографий, полученных этой экспедицией, показал ошибки измерения того же порядка, что и измеряемый эффект. Результат англичан был либо чистым везением, либо тем нередким в науке случаем, когда получают то, что хотелось получить. Правда, отклонение света Солнцем было впоследствии точно подтверждено целым рядом наблюдений.

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это следует из того, что должно выполняться определенное соотношение между энергией света и его частотой (т. с. числом световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию, а потому его частота уменьшается. (Это означает, что увеличивается интервал времени между гребнями двух соседних волн). [13] Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее. Это предсказание было проверено в 1962 г. с помощью двух очень точных часов, расположенных: одни на самом верху водонапорной башни, а вторые - у ее подножья.

Оказалось, что нижние часы, которые были ближе к Земле, в точном соответствии с общей теорией относительности шли медленнее. Разница в ходе часов на разной высоте над поверхностью Земли приобрела сейчас огромное практическое значение в связи с появлением очень точных навигационных систем, работающих на сигналах со спутников. Если не принимать во внимание предсказаний общей теории относительности, то координаты будут рассчитаны с ошибкой в несколько километров!

Законы движения Ньютона покончили с абсолютным положением в пространстве. Теория относительности освободила нас от абсолютного времени. Возьмем пару близнецов. Предположим, что один из них отправился жить на вершину горы, а другой остался на уровне моря. Тогда первый состарится быстрее, чем второй, и поэтому при встрече один из них будет выглядеть старше другого. Правда, разница в возрасте была бы совсем мала, но она сильно увеличилась бы, если бы один из близнецов отправился в долгое путешествие на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света. По возвращении он оказался бы значительно моложе своего брата, который оставался на Земле. Это так называемый парадокс близнецов, но он парадокс лишь для того, кто в глубине души верит в абсолютное время. В общей теории относительности нет единого абсолютного времени; каждый индивидуум имеет свой собственный масштаб времени, зависящий от того, где этот индивидуум находится и как он движется.

До 1915 г. пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее на ней никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны.

В общей же теории относительности ситуация совершенно иная. Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства _ времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.

В последующие десятилетия новому пониманию пространства и времени предстояло произвести переворот в наших взглядах на Вселенную. Старое представление о почти не меняющейся Вселенной, которая, может быть, всегда существовала и будет существовать вечно, сменилось картиной динамической, расширяющейся Вселенной, которая, по-видимому, возникла когда-то в прошлом и, возможно, закончит свое существование когда-то в будущем. Эта революция в нашем сознании явилась отправной точкой моих исследований в теоретической физике. Итак, я показала, что, согласно общей теории относительности Эйнштейна, Вселенная должна иметь начало, а может быть, и конец.

В процессе трудовой деятельности человек активно воздействует на природу и начинает постигать сущность и строение объектов и процессов объективной действительности. На этом рубеже закладываются первые кирпичики в фундамент будущих величественных зданий - арифметики, геометрии, логики. Природа и труд лежат в основе логического характера развивающегося мышления. Дифференцировка пространственных отношений служит залогом функционирования второй сигнальной системы.

Знакомясь с работами советского физика и специалиста по философским проблемам естествознания - С. И. Вавилова , моё внимание привлекли следующие строки : «В наше время рядом с наукой, одновременно с картиной явлений, раскрытой и объяснённой новым естествознанием, продолжает бытовать мир представлений ребёнка и первобытного человека и, намеренно или ненамеренно, продолжающий им мир поэтов. В этот мир стоит иногда заглянуть, как в один из возможных истоков научных гипотез.». [14]

Поэтому хочется подчеркнуть необыкновенную важность обращения при исследовании к историческому анализу изучаемой проблемы ( что было описано мною ранее).

Очень редко можно столкнуться с освещением психологического и мифологического аспектов исследуемой проблемы. В качестве такого редкого исключения можно указать на книгу английского космолога Дж. Уитроу «Естественная философия времени». Физико-математические и космологические проблемы разбирались в этой книге в главе, посвященной времени индивида. В ней рассмотрены биологическое время, психология и физиология памяти, тождество личности и так далее.

За последнее время получен целый ряд интересных данных как в генетической психологии, так и в исследовании пространства и времени в мифологии, сагах, этногенезе, патопсихологии и так далее.

Дж. Уитроу утверждал , что ум есть определённый процесс «имеющий протяжение и локализацию во времени, но не в пространстве, хотя он имеет область влияния, наиболее сильного в окресностях данного мозга, с которым обычно его связывают»[15]. Мурад Давудович Ахундов сообщает, что особый интерес представляет «пространство и время в уме» [4]. При изучении им эволюции человека и генезиса представлений о пространстве и времени он делает следующие выводы : «бинокулярность зрения ..органично связана с адекватным восприятием пространства,..открывает путь к восприятию времени» [4]. Более того , В. Фаворский, советский учёный , также приходит к выводу , что «в бинокулярности заключено время в очень сжатом виде»[16] .

«Если художник передаёт пространство .. точку зрения важно передать правдиво, он невольно встретится с боковыми областями и принуждён соединить разновременное… Но если мы остановим модели и сами остановимся, то всё равно будет время в нашем восприятии, так как мы обладаем двумя глазами - бинокулярностью»[16]. Подтверждая эти слова еще два автора Б. Г. Ананьева и Е. Ф. Рыбалко развивают интересную гипотезу, что парная работа больших полушарий головного мозга обеспечивает специальное приспособление высших организмов к пространственным условиям существования [17].

Развитие различных функций слухового аппарата имело важное значение для появления сигнализации в стандартной жизни и согласования совместных перемещений и ориентировки в пространстве.

Очень важную роль сыграла кинестезия, особенно кистей рук. Кинестезия в совокупности со зрением стала основой перцептивной организации и важнейшим компонентом восприятия пространства [18].

В частности Н. А. Бернштейн в своих работах по биомеханике приводит нас к следующей интересной гипотезе: «В верховном моторном центре мозга… локализационно отображено нечто иное, как какая-то проекция самого внешнего пространства в том виде, в каком оно моторно дано субъекту. Это проекция должна быть конгруэнтной с внешним пространством, но конгруэнтной только топологически, а совсем не метрически »[19]. Что касается метрики поространства, то она «тесно связана со зрением, со спецификой преломляющего аппарата глаза» [4].

Необходимо учитывать также и весьма существенное развитие отражения времени в процессе эволюции живой материи. Под этим подразумевается понятие «биологических часов», понятия гомогенного и континуального времени характерны только для человека и являются результатом длительного хода познания.

А. Пейпер приходит к выводу, что сведения о пространстве и времени мы получаем с «молоком матери» - в раннем детстве. [20]. Я соглашаюсь с этим мнением, так как даже история интеллектуального развития ребёнка в специфической и сжатой форме воспроизводит историю умственного развития человечества.

К месту будет сказать, что изучая биографию А. Эйнштейна, мне запомнилась следующая история: Альберту Эйнштейну часто задавали один вопрос: как же удалось создать теорию относительности? Полушутя, полувсерьёз он отвечал: «Почему именно я создал теорию относительности? …мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимали мои мысли, когда я стал уже взрослым. Естественно, я мог глубже проникать в проблему, чем ребенок с нормальными наклонностями.»

Итак, человечество входит в третье тысячелетие. Тысячелетие - величина грандиозная. Замечу, тысячелетия человеческой истории действуют на наше воображение куда сильнее, чем десятки миллионов лет, которыми оперируют геологи, ибо миллионы лет - нечто абстрактное, несоизмеримое с человеческой жизнью. Иное дело - века истории человечества. Мы вписаны в историю. Отдаем себе в этом отчет или нет, история живет в нас и с нами. И потому рубеж, разделяющий два тысячелетия, притягивает, завораживает. Однако сама эта грань, гипнотизирующая наше сознание, весьма условна и конвенциональна.

Почему мы вообще меряем время веками и тысячелетиями? Здесь возникают две проблемы: проблема начальной точки отсчета, или координатного ноля, и проблема системы счета. Человеческому сознанию свойственно дробить бесконечную протяженность впечатлений, состояний и переживаний, в которой это сознание пребывает, и потому оно нуждается в границах и точках отсчета. День начинается с рассвета и завершается закатом. С ними эти опоры мышления, и картина мира утрачивает резкость. Поэтому человек создает, отыскивает и назначает свои искусственные реперы. Они могут быть условны, как перекресток, от которого начинается новая улица, или Гринвичский меридиан, цивилизация в качестве координатного ноля использует событие Рождества Христова. Именно от этого события ведется отсчет времени. Мышление веками (десятилетиями, тысячелетиями) задано принятой человечеством десятичной системой счисления. Десятичная система счисления вошла в плоть и кровь культуры и представляется единственно возможной, однако это не так.

Математики полагают, что семеричная система счисления (когда за цифрой семь следовало бы один на семь, два на семь и т.д.) во многих отношениях удобнее, но человечество (может быть, из-за десяти пальцев на наших руках?) избрало десятичную. Итак, если отрешиться от мистики круглых цифр, окажется, что человечество стоит на пороге будущего.

Будущее всегда туманно и тревожно, наше благополучие в нем никем и ничем не гарантировано, такова природа бытия. Оно вызывает сложные и противоречивые чувства, пугает и мобилизует, вселяет страх и рождает надежды. Всегда и во все времена человеку свойственно стремление приподнять завесу тайны и вызнать что-либо о своем будущем. Эту истину подтвердит любая профессиональная гадалка.

Рубеж тысячелетий - естественный повод для обращения к бесконечно актуальной, травмирующей и притягивающей наше внимание теме. Прошлый век - век бурного развития науки был наиболее плодотворным в плане познания времени и пространства. Тем не менее, вопрос познания пространства и времени, их природы, взаимосвязи и даже наличия во многом остается открытым. Представляется уместным привести высказывание основоположника современного представления о пространстве и времени А. Эйнштейна, - “пространство и время являются способом, которым мы мыслим, а не условиями, в которых мы живем”, в котором во многом отразилась противоречивость и нерешенность проблемы.

Чарльз Перси Сноу сказал однажды: « Если бы не существовало Эйнштейна, физика XX века была бы иной. Этого нельзя сказать ни об одном другом учёном… Он занял в общественной жизни такое положение, какое вряд ли займёт в будущем другой учёный. Никто, собственно, не знает, почему, но он вошёл в общественное сознание всего мира, став живым символом науки и властителем дум двадцатого века ». Но тема остаётся актуальной и по сей день, поэтому возможно в ближайшем будущем появятся новые данные, новые теории и концепции.

относительность пространство время материя

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение

Размещено на Allbest.ru