Пространство и время. Принципы относительности. Необратимость времени

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Важнейшей задачей современного естествознания является создание естественнонаучной картины мира. Время и пространство являлись и являются одной из самых жгучих загадок бытия. Обсуждению этих понятий посвящено неисчислимое множество страниц древних и более поздних авторов, однако понятнее они от этого не стали. Испокон веков пространство и время рассматривались как некие совершенно самостоятельные сущности, стоящие поодаль от материи. Фактически получалось, что кроме движущейся материи существовало ещё два нечто, на фоне или внутри которых совершались все мыслимые и немыслимые явления природы. Сегодня философия определяет пространство и время как всеобщие формы существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и независимо от нее. Для их описания в естествознании исторически формировались различные представления о пространстве и времени.

Современное понимание свойств пространства-времени исходит из знаменитых открытий величайших физиков Джеймса Кларка Максвелла (1831-1879) и Альберта Эйнштейна (1879-1955).

В этой связи, тема данной контрольной работы «Пространство и время. Теория относительности. Необратимость времени» представляется нам достаточно актуальной. В соответствии с темой, целью и задачей данной контрольной работы являются рассмотрение следующих вопросов:

- Представление о пространстве и времени.

- Принципы относительности.

- Необратимость времени.

В данной работе были использованы работы таких авторов как: Алексеев П.В., Панин А.В., Вернадский В.И., Планк М., Шихобалов Л.С.

1. Представление о пространстве и времени

Основные понятия о пространстве были сформированы в глубокой древности, и как бы смысл этого слова остался и дошел до наших дней. И сейчас, с большим разнообразием открытий понимание этого слова меняется. Еще две тысячи лет назад пространство делилось на мир вещей материи и мир идей сознания, на два полюса материальность и идеальность, на две закрытые части.

И целью настоящего исследования является раскрытие определения «Пространство и время - это формы существования материи».

Само слово «пространство» это обобщение. Историю понятия этого слова можно начать с идей ученика Платона Аристотеля, который, кроме того, что сопоставил линии, поверхности и телам числа 1, 2, 3, к тому же связал идеи с объектами, лишив их полной самостоятельности, вечности по Платону.

К наиболее характерным свойствам пространства относится его трехмерность. Положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин. Время одномерно, ибо для фиксации положения события во времени достаточно одной величины. Под заданием положения события, объекта в пространстве или времени имеется в виду определение его координат по отношению к другим событиям и объектам. Факт трехмерности реального физического пространства не противоречит существованию в науке понятия многомерного пространства с любым числом измерений. Понятие многомерного пространства является чисто математическим понятием, которое может быть использовано для описания взаимосвязи различного рода физических величин, характеризующих реальные процессы. Если же речь идет о фиксации события в реальном физическом пространстве, то при использовании любой системы координат трех измерений всегда будет достаточно. И хотя до сих пор вопрос об обосновании трехмерности пространства является открытым вопросом, решение его должно лежать в установлении связи трехмерности с фундаментальными физическими процессами.

К специфическим свойством пространства относятся однородность и изотропность. Однородность пространства означает отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, а изотропность - равноправность всех возможных направлений. В отличие от пространства время обладает только свойством однородности, заключающимся в равноправии всех его моментов. Свойства однородности пространства и времени и изотропности пространства теснейшим образом связаны с фундаментальными физическими законами, и прежде всего с законами сохранения. Они и лежат в основании самого принципа физической относительности.

Эксперимент и квантовая теория доказали, что если бы окружающее нас пространство можно было рассмотреть в сверхсильный микроскоп, увеличивающий в триллионы триллионов раз, то мы увидели бы его заполненным "смогом" рождающихся и тут же исчезающих частиц. Другими словами, вакуум - это не чистая бестелесная протяженность, как можно было бы подумать, рассматривая пустую откачанную от газов колбу, а особое состояние материи. Но если это так, то похожими свойствами "особой субстанции" должно обладать и время, ведь теория относительности говорит, что пространство и время, словно две проекции единого целого - расстояния в четырехмерном пространстве. Правда, такое пространство - специфическое, не окружающее нас трехмерное, но это уже детали. Важно, что если одна проекция обладает материальными свойствами, то, можно думать, они есть и у другой.

Впрочем, мысли о материальности времени высказывались задолго до квантовой механики и теории относительности. Еще в древнейших философиях упоминалось о двух сущностях, составляющих основу нашего мира, - аморфной вещественной, образующей тела, и бестелесной, невидимой и неощутимой, порождающей движение, переход от одного состояния к другому. На современном языке первую мы называем материей, вторую - временем.

Однако в большинстве философских и физических теории время всегда рассматривается как нечто совершенно не материальное, не имеющее никаких свойств, кроме "чисто геометрических", - измеряемой часами скорости (ритма) и кривизны, проявляющейся как гравитация.

Пространство и время представляют собой формы, выражающие определенные способы координации материальных объектов и их состояний. Содержанием этих форм является движущаяся материя, материальные процессы, и именно особенности и характер последних определяют их основные свойства. Кроме того, наличие у пространства и времени единого содержания - движущейся материи - указывает и на взаимосвязь между самим пространством и временем, на невозможность их существования абсолютно независимо друг от друга.

1.2 Категорийные концепции - субстанциальная и реляционная

«В современном научном мировоззрении известны две принципиально разные концепции пространства-времени - реляционная и субстанциональная (другое написание: субстанциальная). Различаются они трактовкой взаимоотношения времени и физической материи (к последней относятся вещество и физические поля).

Согласно реляционной концепции в природе нет никакого времени самого по себе, а время - это всего лишь отношение или система отношений между физическими событиями, иначе говоря, время есть специфическое проявление свойств физических тел и происходящих с ними изменений. Ее сторонники понимают пространство и время как систему отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами. Вне этой системы пространство и время считались несуществующими. В этой концепции пространство и время выступали как общие формы координации материальных объектов и их состояний. Соответственно допускались и зависимость свойств пространства и времени от характера взаимодействия материальных систем.

Другая концепция - субстанциональная - наоборот, предполагает, что пространство и время представляют собой самостоятельные явления природы, как бы особого рода субстанции, существующие наряду с материей и независимо от нее. Соответственно отношение между пространством, временем и материей представлялось как отношение между двумя видами самостоятельных субстанций. Это вело к выводу о независимости свойств пространства и времени от характера протекающих в них материальных процессов.

Реляционная концепция времени обычно связывается с именами Аристотеля, Г.В. Лейбница, А. Эйнштейна. Наиболее яркими выразителями субстанциональной концепции времени являются Демокрит, И. Ньютон и из современных ученых - Н.А. Козырев.

С точки зрения признания объективности пространства и времени обе эти концепции равноценны. Если говорить об их естественнонаучной обоснованности, то в XVII-XIX веках явное преимущество было на стороне субстанциальной концепции; именно она лежала в основе ньютоновской механики, принимавшейся в то время за образец точной науки. В электродинамике в пользу существования абсолютного пространства свидетельствовала гипотеза светоносного эфира, который заполняет абсолютное пространство и является носителем электромагнитных волн. Наконец, сильнейшим свидетельством в пользу субстанциальной концепции пространства был факт единственности эвклидовой геометрии. А это как бы подтверждало вывод, следовавший из субстанциальной концепции, что свойства пространства и времени неизменны и независимы от характера движения и взаимодействия материальных систем.

Сходство (равноценность) и различие субстанциальной и реляционной концепций можно пояснить на следующем аллегорическом примере. Субстанциальность - категория, которая рассматривает пространство и время как декорации, на фоне которых происходит вселенское действо - движение голой материи. Реляционность - категория, которая рассматривает пространство и время как костюмы участников вселенского действа, происходящего на голой сцене. Обе категории удовлетворительно отражают единообразную особенность движущейся материи, но каждая придает её свой колорит. Именно поэтому субстанциальную и реляционную концепции правильнее именовать разновидностями одной категорийной концепции пространства и времени.

2. Принципы относительности

ХХ век сильно встряхнул вялотекущие обсуждение и мелкие уточнения понятий пространства и времени. Попытка объяснить частную модельную гипотезу нидерландского физика Х.А. Лоренца, доказывающую инвариантность уравнений Максвелла, подтолкнула французского математика А. Пуанкаре (1905) к наделению пространства свойством четырехмерности.

Эйнштейн, позаимствовавший у Лоренца и Пуанкаре все (!) разработанные ими идеи. 1905 год, именно с него началось активно пропагандируемое шествие по науке так называемой специальной теории относительности (СТО), связавшей две совершенно разные категории (пространство и время) в единое целое. Когда Эйнштейну удалось в этот же узел вплести и массу (1915), как олицетворение всей материи, с помощью уравнений, предложенных немецким математиком Д. Гильбертом (1915), в игру вступила общая теория относительности (ОТО). В результате всех манипуляций пространство и время оказались объединенными в единый континуум, форма и свойства которого диктовалась в нем же распределенной массой.

СТО возникла как результат попыток А. Эйнштейна распространить действие физического принципа относительности, известного еще со времен Галилея, на законы электродинамики, которые рассматривались как противоречащие последнему. Эйнштейн справился с этой задачей, но цена, которую он был вынужден заплатить за обобщение принципа физической относительности и распространение его на все законы физики, заключалась в пересмотре ньютоновских пространственно-временных представлений. СТО показала, что многие пространственно-временные свойства, считавшиеся до сих пор неизменными, абсолютными, фактически являются относительными. Так, в СТО утратили свой абсолютный характер такие пространственно-временные характеристики, как длина, временной интервал, понятие одновременности. Все эти характеристики оказались зависящими от взаимного движения материальных объектов".

Если в СТО принцип относительности был связан только с инерциальными системами отсчета, то общая теория относительности явилась результатом распространения действия принципа относительности и на неинерциальные системы отсчета. Это в свою очередь привело к установлению тесной зависимости метрических свойств пространства-времени от гравитационных взаимодействий между материальными объектами. В СТО было установлено, что геометрические свойства пространства-времени зависят от распределения в них гравитационных масс. Вблизи тяжелых объектов, геометрические свойства пространства начинают отклоняться от эвклидовых, а темп течения времени замедляется.

Считается, что основное философское значение теории относительности состоит в следующем:

1. Теория относительности исключила из науки понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, обнаружив тем самым несостоятельность субстанциальной трактовки пространства и времени как самостоятельных, независимых от материи форм бытия.

2. Она показала зависимость пространственно-временных свойств от характера движения и взаимодействия материальных систем, подтвердила правильность трактовки пространства и времени как основных форм существования материи, в качестве содержания которых выступает движущаяся материя.

3. Теория относительности категорически отвергла субъективистские, априористские трактовки сущности пространства и времени, которые противоречили её выводам.

Говоря о том, что теория относительности подтвердила понимание пространства и времени как коренных форм существования материи, нельзя думать, что теория относительности положила конец философским спорам об истолковании пространства и времени. Решив одни проблемы, теория относительности поставила другие. Философские споры вокруг теории относительности возникли сразу же при её создании и не утихают по настоящее время.

Наиболее ретивые последователи А. Эйнштейна и Х.А. Лоренца вообще считают время чуть ли не свойством пространства. И опять возникает неоднозначность понятия времени, как отголосок субстанциальных концепций. Время не может быть производным от пространства. Это пространство производно от материи. Именно материальные вещи своей протяженностью порождают пространство. Когда корреспондент американской газеты "Нью-Йорк Тайме" в апреле 1921 г. спросил Эйнштейна, в чем суть теории относительности, он ответил: "Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время". Но материя не может быть недвижущейся, и только движение материи, её постоянное изменение, взаимодействие материальных объектов требует временной характеристики. Время - свойство движения.

Ряд философски мыслящих ученых попытались развить субъективистские версии трактовки пространства и времени, опираясь на теорию относительности. исходным понятием оказалось движение, оторванное от понятия материи, в геометрической картине мира исходной субстанцией оказались пространство и время, оторванные от материи.

Общие свойства, характеризующие пространство и время, вытекают из их характеристик как основных, коренных форм существования материи. К свойствам пространства относятся протяженность, однородность, изотропность, трехмерность. Время обычно характеризуется такими свойствами, как длительность, однородность, необратимость, одномерность.

Что касается таких свойств, как длительность времени и протяженность пространства, то их трудно называть свойствами, поскольку они совпадают с самой сущностью пространства и времени. Ведь протяженность и проявляется в способности тел существовать одно подле другого, а длительность в способности существовать одно после другого, что и выражает сущность пространства и времени как форм существования материи.

3. Необратимость времени

Характерным специфическим свойством времени является его необратимость, которая проявляется в невозможности возврата в прошлое. Время течет от прошлого через настоящее к будущему, и обратное течение его невозможно. Необратимость времени связана с необратимостью протекания фундаментальных материальных процессов. Некоторые философы усматривают связь необратимости времени с необратимостью термодинамических процессов и с действием закона возрастания энтропии. В микрофизике необратимость времени связывается с характером законов квантовой механики. Существуют также космологические подходы к обоснованию необратимости времени. Наиболее широкое распространение получила причинная концепция времени; её сторонники считают, что при обратном течении времени причинная связь оказывалась бы невозможной.

Как воды точат камни, текущая сквозь Вселенную река времени ежечасно и ежеминутно влияет на происходящие в ней события, перераспределяет содержащиеся в ней энергию и информацию.

Для правильного понимания проблемы времени к сказанному необходимо ещё добавить, что передаваемое по радио время - это совсем другое, условное, социальное, эталонное время, природа его не знает, оно придумано человеком с целью рациональной организации жизни общества. Точное условное время определяется астрономическими методами и "хранится" кварцевыми, молекулярными и другими часами. Оно всегда "течет", "идет" из прошлого через настоящее в будущее строго равномерно, с постоянной скоростью, изменение которой не допустят специальные службы времени. известное выражение "стрела времени", введенное в 1928 г. А. Эддингтоном? понятно, что "Стрела времени" - это ход условного времени, Специфично проявление времени и пространства в микромире, живой природе, в социальной действительности, в связи с чем специально анализируется биологическое время, психологическое время.

Очень интересно и важно, что в некоторые известные физические законы входит реальное время, например во второй закон механики Ньютона, в другие - условное, в частности, в законы переноса, включая знаменитые уравнения Максвелла, служащие фундаментом теории Эйнштейна.

Река времени течет из прошлого в будущее. Но чем различаются эти два ее конца? Что определяет направление "стрелы времени".

Хотя однозначного ответа на эти вопросы, который удовлетворил бы и специалистов-физиков, и профессионалов-философов, пока еще нет, большинство ученых склоняются к мысли, что дело тут - в неисчислимом количестве каналов, которыми всякий предмет и каждое явление связаны с окружением. Даже те из них, которые выглядят полностью изолированными, на самом деле непрерывно испускают и поглощают кванты различных полей, взаимодействуют с вакуумным "смогом". Можно без преувеличения сказать, что всякое явление в нашем мире прямо или косвенно связано со всеми другими. Это приводит к тому, что энергия и информация в процессах взаимодействия "растекаются" по многочисленным ручейкам-каналам и собрать их обратно просто невозможно. Сделать это можно лишь приближенно, сохранив самые широкие потоки и отсекая все остальное. Точнее всего это удается в упоминавшихся выше "обратимых процессах", хотя полная, стопроцентная обратимость и абсолютная симметрия прошлого с будущим существуют лишь в абстрактной теории.

Заключение

трехмерность относительность философский субстанциальный

В данной работе была рассмотрена тема «Пространство и время. Теория относительности. Необратимость времени». Конечно, в рамках контрольной работы невозможно охватить весь тот огромный массив информации, имеющий отношение к данной теме. В работе были изложены традиционные взгляды на понятие и сущность пространства и времени, принципы теории относительности и необратимость времени.

Исходя из вышесказанного, можно подчеркнуть основные моменты этой работы:

1. Самые первые естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития и возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объемов и протяженности.

2. Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

3. Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга.

Физическая основа необратимости времени -- нетождественность состояний в раньше и позже.

Направленность времени, связанная с эволюцией систем, в физических картинах мира следует из второго начала термодинамики, не отрицаемый Эйнштейном. Направленность времени определяет принцип причинности. В современной картине мира в основу положены необратимые процессы.

«Ответы на общие вопросы, в свое время вызывавшие ожесточенные дискуссии, в наши дни известны каждому А сегодня, когда Эйнштейна нет с нами, хочется сказать, как много сделал этот человек с его вечным неукротимым стремлением к совершенству, к архитектурной стройности, к классической законченности теорий, к единой системе, на основе которой можно было бы развивать всю физическую картину. В каждом новом шаге физики, который, казалось бы, однозначно следовал из предыдущего, он отыскивал противоречия, и противоречия эти становились импульсом, толкавшим физику вперед.

Список использованной литературы

1. Алексеев П.В., Панин А.В., "Философия", учебник, 3-е изд., перераб. и доп. М.: ТК Велби, изд-во Проспект, 2003.

2. Вернадский В.И., "Проблемы биогеохимии" / Труды биогеохимической лаборатории, т. XVI, М.: Наука, 1980.

3. Планк М., "Научная автобиография", М.: изд-во АН СССР, 1958.

4. Шихобалов Л.С., "Время: субстанция или реляция?.. Нет ответа" / Вестник Санкт-Петербургского отделения Российской Академии естественных наук, 1997, № 1 (4).

Размещено на Allbest.ru