Материя время пространство с точки зрения современной науки

Основные подходы к пониманию сущности пространства и времени- субстанциальная ( пространство и время – это особого рода сущности или особые субстанции, которые существуют сами по себе, независимо друг от друга, вещества и поля)

и реляционная концепции( пространство и время – это система взаимодействующих объектов и событий)

Эти концепции пространства и времени нашли свое преломление в идеализме и материализме, метафизике и диалектике.

Для субъективного идеализма свойственно отрицание объективного характера пространства и времени. И.Кант — пространство и время присущи не внешнему миру, а сознанию человека.

Для объективного идеализма свойственно отрицание всеобщего характера пространства и времени, т.к. они являются порождением духовного нечеловеческого начала. Гегель-абсолютная идея существует вне времени и пространства и производит их только на определенном этапе своего развития.

Для метафизического подхода характерен отрыв пространства и времени друг от друга и от материи.

Диалектико-материалистический подход утверждает, что пространство и время – это объективные и всеобщие формы существования движущейся материи. Пространство – это отношения порядка расположения и протя ­ женности одновременно сосуществующих объектов. Основные свойства пространства: трехмерность, связность, симметричность, единство непрерыв ­ ности и прерывности, однородности и неоднородности и др.

Пространство характеризуется наличием у материальных объектов высоты, ширины, длины, объема, углов. Метрические параметры пространства связаны с тремя измерениями реального пространства.

Время – это отношения последовательности существования и длительности сменяющих друг друга состояний и явлений. Основные свойства времени: одномерность, асимметричность, однородность, однонаправленность, необратимость.

Диалектическая концепция взаимосвязи пространства – времени – движения – материи подтверждается в науке неевклидовыми геометриями (Лобачевского, Бойяи, Римана) и теорией относительности (Эйнштейна).

Загадки нашего мира: время, пространство и материя

Привычное, прочное и устойчивое здание науки и представлений о мире в начале XX века рухнуло. Ему на смену приходит другое понимание, основанное на новых данных и наблюдениях и полностью переворачивающее наше видение мира. Но насколько новыми являются эти представления?

К концу XIX века было почти завершено здание классической науки, которая родилась из соединения опыта, полученного человеком в повседневной жизни, и логического вывода. Ее успехи были очень впечатляющими, и это породило иллюзию всемогущества человеческого разума. Законы классической физики резко противоречили традиционным представлениям о мире, которые содержатся в мифах и учениях древних мудрецов. Из-за этого мифы стали рассматриваться как забавные истории, не имеющие отношения к реальности, а учения философов интересны были лишь с исторической точки зрения.

Однако открытия XX века показали, что, когда речь идет о явлениях природы в масштабах, намного отличающихся от привычных для человека, не всегда можно достичь ясности и отчетливости интерпретации опытных данных, основываясь на логике и здравом смысле. Это масштабы атомных явлений, а также процессов, которые идут в космосе и охватывают звезды, галактики и их скопления.

От классической к релятивистской физике

В XVII веке Исаак Ньютон сформулировал концепцию пространства и времени классической физики. Согласно этой концепции, пространство и время обеспечивают абсолютную и неизменную невидимую платформу, которая дает Вселенной порядок и структуру. К концу XIX века на этой платформе было возведено здание классической физики. Стало казаться, что к этому времени большинство фундаментальных принципов природы прочно установлены.

Однако первое десятилетие XX века стало поистине революционным. Классические представления о пространстве, времени и реальности, которые до этого были привычными и интуитивно ясными, вдруг уступили место новым представлениям, трудно понимаемым и далеко не очевидным с точки зрения нашего повседневного опыта.

В нашем жизненном опыте нет места движениям с очень большими скоростями, такими, как скорость света (примерно 300 000 км/с). А тем не менее именно изучение свойств движения с такими скоростями привело к пониманию того, что классические представления об абсолютности пространства и времени невозможно применять для описания этих свойств. В результате как пространство, так и время перестали быть абсолютными, а стали обладать свойствами, зависящими от наблюдателя. В частности, результаты измерений расстояний и длительности оказываются различными для разных наблюдателей, если они движутся с разными скоростями относительно той сцены, на которой разворачивался физический процесс. Более того, эти результаты зависят и от массы тел, которые находятся рядом с этой сценой. Здание теоретической физики зашаталось, так как законам природы, описывающим явления в пространственной протяженности и временной длительности, грозила утрата универсальности.

Вернуть абсолютный характер физическим законам удалось Альберту Эйнштейну. Он предложил так называемый специальный принцип относительности, хотя и не очевидный с точки зрения повседневного опыта, но обладающий общностью и красотой математических следствий: все физические процессы (в инерциальных системах отсчета) протекают одинаково, независимо от того, неподвижен ли наблюдатель или находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Как следствие этого принципа, скорость света для любого такого наблюдателя одинакова, независимо от того, движется он относительно источника света или покоится.

Новая физика строилась в четырехмерном пространстве-времени, в котором три координаты – привычные пространственные, а четвертая – время. Для разных наблюдателей мир выглядит по-разному (у каждого из них – своя пространственная и временная шкалы), однако во всех системах отсчета неизменной остается величина, связанная с координатами двух событий в пространстве и времени. Она зависит как от разности пространственных координат точек, в которых происходят эти события, так и от временного промежутка между ними. Эта величина получила название «релятивистский интервал». Постоянство этого интервала можно интерпретировать как неразрывную сплетенность пространства и времени. Новые формулировки физических законов позволили предсказать, какими пространственно-временными характеристиками будет обладать физическое явление для любого наблюдателя. Физическая картина мира усложнилась, но сохранила свое единство, хотя это единство и спрятано за ширму математических преобразований.

Еще одним следствием теории относительности стало открытие того, что энергия и масса взаимосвязаны и могут превращаться друг в друга. Это можно интерпретировать так, как будто эти две физические величины суть разные «ипостаси» единой энергии-массы. Это следствие стало основой атомной и ядерной энергетики и прекрасно подтвердилось в экспериментах.

Через несколько лет Эйнштейн расширил специальный принцип относительности до общего: в нем утверждается, что все физические законы протекают одинаково для любых наблюдателей – движутся ли они относительно наблюдаемой сцены равномерно, или с ускорением, или покоятся. Для этого ему пришлось постулировать, что силы гравитации и силы инерции, которые действуют на тело, движущееся с ускорением (относительно инерциальной системы отсчета), имеют единую природу, и объяснить ее искривлением пространства-времени, зависящим от массы окружающей материи. Это разрешило одну из загадок классической физики, в которой как в законе инерции (второй закон Ньютона), так и в законе всемирного тяготения используется одна и та же величина – масса тела.

В самом деле, мы привыкли, что любое тело, на которое не действует сила, движется по кратчайшему пути. Для пустого пространства эти пути суть прямые линии, в классической физике по таким прямым траекториям распространяется световой луч. Поэтому обычная евклидова геометрия – это геометрия пустого пространства. Однако наше физическое пространство заполнено массивными телами. Как показывает опыт, световые лучи искривляются под действием гравитации. А. Эйнштейн предложил заменить действие гравитации на искривление пространства.

Разница между классической и релятивистской реальностью проявляется только в условиях чрезвычайно больших скоростей и гравитации, а для условий, в которых мы обычно действуем, ньютоновская физика дает очень точное приближение, полезное во многих ситуациях. Однако, по словам Б. Грина, «полезность» и «реальность» – совсем разные категории.

Квантовая физика описывает новую реальность в масштабах, сравнимых с размерами атомов. Она началась с попыток сформулировать законы излучения света. Однако наблюдаемые эффекты никак не удавалось объяснить с классических позиций. Для устранения противоречий Макс Планк в 1900 г. предположил, что электромагнитные волны (свет) излучаются порциями; он назвал их квантами.

Далее последовали эксперименты по фотоэффекту. Еще в 1887 г. немецкий физик Г. Герц обнаружил, что под действием света вещество может испускать электроны. По классическим представлениям, чем больше амплитуда волны, тем больше ее энергия и тем больше электронов она должна выбивать. В экспериментах же все было не так: электроны выбивались только светом с частотой выше пороговой, а свет сколь угодно большой интенсивности, но с частотой ниже порога, никаких электронов вообще не выбивал. Это странное поведение света было теоретически объяснено Эйнштейном в 1905 г.: он предположил, что свет не только испускается, но и распространяется порциями (квантами), названными позднее фотонами и имеющими свойства частиц.

Еще один парадокс, расшатавший основы классической физики, – невозможность объяснить структуру атома. В 1896 г. было открыто явление радиоактивности, через год открыт электрон, а в 1911 г. благодаря опытам Резерфорда обнаружено, что атом состоит из необычайно малого ядра и вращающихся вокруг него электронов. Чтобы представить себе соотношение размеров ядра (10 -13 см) и атома (10 -8 см), увеличим атом до размеров комнаты – тогда ядро будет едва заметной точкой.

В результате классические представления о твердом теле как об области пространства, заполненной сплошной материей, были заменены на представления о «пустоте», в которой движутся чрезвычайно малые частицы – ядра атомов и электроны. Предполагалось, однако, что эти частицы обладают чрезвычайно высокой плотностью. Новое содержание получило учение Демокрита, утверждавшего, что в мире нет ничего, кроме атомов и пустоты.

По классическим представлениям, чтобы электрон не упал на ядро, он должен с сумасшедшей скоростью вращаться вокруг него. Но, вращаясь, электрон испытывает ускорение (направленное к центру орбиты) – а ускоряющиеся частицы, согласно законам классической электродинамики, непрерывно излучают электромагнитную волну, а значит, теряют энергию. Электроны должны практически мгновенно (за 10 -11 секунды) упасть на ядро! Для объяснения устойчивости атомов было предложена еще одна «квантовая» идея: излучение электрона в атоме может происходить только дискретными порциями. Развитие этой идеи позволило описать частоты линий спектра электромагнитных излучений веществ.

Корпускулярные свойства света проявились и в эффекте А. Комптона (1922 г.): оказалось, что свет может рассеиваться электронами, при этом и электрон, и свет ведут себя подобно абсолютно упругим шарикам. Итак, «сумасшедшая природа» придает свету свойства то волны, то частицы – в зависимости от условий его регистрации.

В 1924 г. Луи де Бройль предположил, что такие свойства характерны не только для света, но и вообще для всех объектов микромира. Если эта гипотеза верна, то движение частиц атома нельзя описывать в классических понятиях траектории (орбиты).

Поток электронов, проходящих через щель, регистрируется на экране. Частота попадания электронов в точку y экрана изображена в виде графика функции z(y), изображенного зеленым цветом. Помимо размытого максимума напротив щели имеются и более слабые максимумы, куда электроны не могут попасть, если предположить, что они являются частицами.

Эта идея прекрасно согласуется с опытом, в котором электроны, которые всегда считались «частицами», один за другим «выстреливались» в сторону диафрагмы в виде щели, за которой располагался экран. На экране фиксировались точки, в которые попадали электроны, прошедшие через щель. Если бы электроны были частицами, на экране была бы четкая область, в которую попадали бы частицы, движущиеся по прямой через щель. В реальности же электрон попадает в любую точку экрана, причем в одни области чаще, а в другие реже. Частота попаданий электронов в разные площадки экрана на рисунке показана кривой зеленого цвета. Форма этой кривой полностью совпадает с формой интенсивности волны (световой или волны на поверхности воды), проходящей через щель. Это заставляет отказаться от понятия частицы, движущейся по траектории: вместо нее в современной физике используется представление о некоторой «волне вероятности», которая и распространяется как будто «вместо» частицы, огибает щели экрана, а затем порождает фотон в том или ином месте в соответствии с математическими законами.

Но волна не имеет конкретной координаты, она размыта в некоторой области пространства. На смену представлениям о точечных частицах материи (локальность) приходит «нелокальность». Удивительно, что при регистрации координаты электрона на втором экране «нелокальность» электрона мгновенно сменяется четкой локальностью – электрон-волна мгновенно сворачивается в точку, фиксирующую след от электрона на втором экране. Это свойство получило название редукции волны при измерении.

Однако такая интерпретация редукции волны грозила нарушить свойство причинности. Мы привыкли, что каждое событие имеет свою причину: например, разбитая ваза на полу возникла потому, что ее откуда-то бросили или столкнули, причем сначала ее столкнули, а потом она разбилась. От момента действия причины (толчок вазы) до следствия (ее разбития) обязательно должно пройти какое-то время, затрачиваемое на преодоление пространства, разделяющего причину и следствие. Однако в квантовом мире все не так просто – в рассмотренном примере следствие наступает одновременно с причиной, как бы далеко одна от другой они ни находились. Действительно, в момент измерения все «части» электрона-волны, размытого в пространстве, мгновенно собираются в точку на экране в момент измерения его координаты.

Для демонстрации парадоксальности квантовой реальности А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен придумали мыслительный эксперимент, в котором проверялось это свойство нелокальности квантового мира: описывались две частицы, разнесенные в разные концы Вселенной, и показывалось, что наблюдение одной из них в случае наличия нелокальности мгновенно скажется на состоянии другой. В 1964 г. Джон Белл предложил формулировку парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена, допускающую непосредственную экспериментальную проверку. Эксперимент был поставлен в 1982 г., и он показал, что мир действительно таков, что в нем одна частица «чувствует» измерения, проведенные над второй. Приходится признать, что наш мир не есть набор локальных атомов-«кирпичиков», пусть даже и связанных последовательно между собой; он сам по себе – единое целое, и то, что происходит в одной его части, в тот же миг меняет его в целом.

Итак, сказанное выше приводит нас к мысли, что в основе наблюдаемой реальности лежит «невидимая» квантовая реальность, которая становится «видимой» в ходе взаимодействия наблюдаемой и наблюдающей частей рассматриваемой системы. Однако в реальных ситуациях эта система едина, ее разделение на «квантовую» и «классическую» весьма условно.

Одно из свойств квантовой реальности, кажущееся парадоксальным с позиций классической физики, связано с тем, что уточнение одной из характеристик объекта при взаимодействии квантового объекта с классическим прибором (то есть при измерении) сопровождается потерей точности в значении некоторых других. Так, например, уточнение координаты частицы в процессе ее взаимодействия с классическим прибором делает ее импульс (произведения массы на скорость) менее определенным; таким же свойством обладает время наблюдения системы и ее энергия и др. Такое странное с классической точки зрения положение сформулировано Н. Бором как принцип дополнительности. По-видимому, адекватное описание явлений микромира требует использования «разных языков», дополняющих друг друга.

Например, описание микрочастицы как точечного объекта отражает лишь часть его свойств, проявляющихся, например, при бомбардировке атомов. В других условиях (при прохождении через набор щелей) микрочастица проявляет свои волновые свойства. В результате возникает представление о квантовой частице как о некоторой скрытой реальности, ведущей себя по-разному в зависимости от способов взаимодействия с наблюдателем. По словам Нильса Бора, «…изолированные материальные частицы – это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами». Наблюдения в этой ситуации становятся очень похожими на «тени на стене пещеры», описанные Платоном в диалоге «Государство». Этот миф другими словами пересказывают физики XX века. Так, например, Дэвид Бом считает: «…неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью, а эти относительно независимые составные части – только лишь частные единичные формы внутри этого единства».

Итак, к настоящему времени установлен ряд поразительных пространственно-временных взаимосвязей, вытекающих из квантовой механики, которые противоречат классическому, интуитивному взгляду на мир. Это, в первую очередь, квантовая нелокальность, означающая, что области, разделенные пространственно, тем не менее связаны между собой квантовым единством; во-вторых, отсутствие абсолютной детерминированности в исходах экспериментов с квантовыми объектами – физика может лишь вычислить вероятности исходов. Внутренняя квантовая подоплека наблюдаемых экспериментальных фактов привела физиков к образному описанию физической реальности как ряби на поверхности океана, причины которой кроются в еще недоступной глубине.

Пространство и время Вселенной

Одна из загадок, оставшаяся еще со времен классической науки, состоит в том, что практически все законы физики допускают так называемое «обращение времени». Поясним это на примере механической системы, эволюционирующей во времени от прошлого в будущее. Если в какой-то момент поменять направление скоростей всех частиц механической системы на противоположное, то ее поведение будет в точности повторять движение исходной системы, но в обратном направлении. Этот эффект можно назвать изменением направления течения времени на обратное. То же самое можно сказать о системах с электромагнитным и гравитационным взаимодействием, а также о квантовых системах. Однако «в жизни» мы явно видим движение времени только в одном направлении: разбитая ваза никогда уже не станет целой, а старики – молодыми.

Первые законы физики с фиксированным (и необратимым!) направлением времени появляются в термодинамике, связаны они с именем Л. Больцмана, доказавшего, что в замкнутой системе все процессы идут так, что порядок сменяется хаосом.

Размышляя над этим эффектом и вспоминая, что одним из самых грандиозных «необратимых эффектов» является рождение Вселенной, Р. Пенроуз высказал предположение, что особые физические условия при возникновении Вселенной (высокоорганизованная среда в момент Большого взрыва или сразу после него) могли заставить двигаться время только в одном направлении, от прошлого к будущему.

Вопрос «откуда взялся наш мир?» всегда будоражил воображение людей. В традиционных цивилизациях ответ на этот вопрос содержался в мифах о сотворении мира, рассказывающих об изначальных временах. Характерной особенностью этих мифов является то, что, согласно им, мир творится в некоторой точке – центре мира, из которой начинает разворачиваться пространство; в момент создания начинается и течение времени. Совершенно неожиданно для многих ученых в начале XX века эти мифологические концепции получили естественнонаучные подтверждения.

В начале XX века были открыты объекты Вселенной – галактики, находящиеся гораздо дальше от нас, чем большинство видимых звезд. Измерение их скоростей, предложенное астрономом Э. Хабблом в 1928 г. по смещению спектральных линий их светового излучения, показало, что все они удаляются от Земли со скоростями, пропорциональными их расстоянию. Анализ этого факта и других, появившихся позже, позволяет сейчас говорить о том, что около 13,7 млрд лет назад Вселенная действительно родилась из точки или, точнее, из колоссально малой области пространства. С этого момента, по представлениям современной науки, и начало свой бег время и родилось пространство. Эта теория получила экспериментальные подтверждения (например, открытие предсказанного реликтового излучения), стала общепринятой и получила название теории Большого взрыва.

В конце XX века наблюдения астрофизиков привели к новым открытиям. Самым интригующим является то, что расширение Вселенной с некоторого момента вдруг стало происходить с ускорением. Теперь считается, что видимая масса во Вселенной составляет всего около 4 % всей массы-энергии Вселенной. Около 22 % составляет так называемая «темная материя», она ответственна за форму галактик и характер их движения, физическая природа ее пока не ясна. И, наконец, остальная часть массы-энергии Вселенной, около 74 % ее полной массы, нужна для объяснения ее ускоренного расширения. Она носит название «темной энергии».

В результате развития физики пространство, время и материя предстают перед нами в совершенно непривычном обличье: оказывается, что пространство и время сплетены между собой и различны для разных наблюдателей, движущихся с разными скоростями, а также зависят от наличия тяготеющих масс. Удаленность предметов в квантовом мире не является препятствием для их связи, поскольку сами квантовые объекты не локализованы, а предстают в виде волнового поля, квадрат амплитуды которого в каждой точке дает вероятность обнаружить этот объект в этой точке при наблюдении. Само пространство и время динамичны, они «родились» вместе со Вселенной, и с тех пор пространство «растягивается», так что к настоящему времени область наблюдаемой Вселенной составляет около 13 млрд световых лет. В современных теориях, пытающихся дать единое описание всей физической картины мира, пространство-время предстает в еще более экзотическом облике: есть теории, которые говорят об 11-мерном, 13-мерном пространстве и так далее. И нет уверенности, что наши представления о пространстве, времени и материи в будущем не изменятся коренным образом.

В современных теориях физические законы не обладает очевидностью, свойственной классическим представлениям, язык, на котором формулируются эти законы, сейчас больше напоминают символические сюжеты древних мифов, для раскрытия смысла которых надо отрешиться от «бытовой реальности». Понимание физических законов также требует непредвзятости, иначе можно утонуть в противоречиях между привычной очевидностью и не вписывающимися в нее экспериментальными данными.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ

Пространство, время, материя

Пространство и время относятся к числу важнейших форм бытия материи.

Время — всеобщая форма бытия материи, выражающая длительность бытия и последовательность смены состояний всех материальных систем и процессов в мире 1 .

Пространство — форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах [1] [2] .

Из всеобщих свойств пространства и времени следует подчеркнуть их объективность, независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире; их абсолютность как универсальных форм бытия материи, неразрывную связь друг с другом и с движением материи, количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи.

К свойствам пространства относится протяженность, которая означает рядоположенность, сосуществование и связь различных элементов. К свойствам пространства относят также связность и непрерывность, которые проявляются как в характере перемещений тел от точки к точке, так и в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия в передаче материи и энергии. Пространству свойственна относительная прерывность, проявляющаяся в раздельном существовании материальных объектов и систем.

Общим свойством пространства является трехмерность, единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. К свойствам пространства можно отнести изотропность, означающую отсутствие выделенных направлений (верха, низа).

К свойствам времени относят объективность, неразрывную связь с движением, пространством, другими атрибутами материи.

Свойствами времени являются также длительность, вечность, единство прерывного и непрерывного, одномерность, необратимость, однонаправленность, неоднородность.

Длительность времени относится к метрическим свойствам. Необратимость времени обусловлена законами развития, детерминизма, возрастанием энтропии.

«Пространство-время нашего мира имеет четыре измерения: три из них характеризуют пространство и одно — время. Чтобы задать положение тела в пространстве, достаточно трех координат, а временная характеристика события определяется одной координатой. Иначе говоря, пространство имеет размерность 3, а время — I» 1 . Современная наука допускает существование пространства и времени других размерностей. Например, «в современных концепциях. вводится представление о десятимерном пространстве-времени. Эти представления о развитии Вселенной допускают предположение, что при рождении нашей Метагалактики только четыре из десяти измерений пространства-времени обрели макроскопический статус, а остальные оказались как бы свернутыми в глубинах микромира, в областях 10 33 см. Не исключено, что развитие материи порождает наряду с нашей Метагалактикой множество различных миров, которые характеризуются другими размерностями пространства-времени. В этих мирах могут принципиально отсутствовать условия для возникновения известных нам форм материи, но, возможно, возникают и неизвестные нашей Метагалактике материальные структуры» [3] [4] .

Свою специфику имеет пространство и время в бытии общества. Человечество, в отличие от животных, сразу же начало формировать пространство для своей жизнедеятельности: изготовлять орудия труда, строить жилища, поселения, создавать пастбища. В социальное пространство входят не только связи предметов, но и отношение человека к предметам, к месту своего обитания.

Социальное время связано с длительностью исторических процессов, с их сменой, возникающей в ходе деятельности людей. Социальное время характеризуется неравномерностью протекания, многоуровневой структурой. В социальном времени часто выделяют две разновидности: циклическое социальное время и линейное социальное время.

Циклическое время характерно для древних цивилизаций, воспринимающих время как повторяющийся цикл. Поскольку древние цивилизации были аграрными, то и время воспринималось как цикл.

Особой ценностью обладало прошлое, авторитетом пользовались традиции, обычаи, идущие от далеких предков.

С появлением христианства время развернулось в линию из прошлого в будущее, стало линейным. Здесь особой ценностью обладает настоящее и будущее, а стрела времени направлена вперед. Для европейской христианской цивилизации присуще линейное социальное время.

В истории философии и науки существовали различные концепции пространства и времени. Для некоторых ученых бесспорным было понимание пространства и времени как каких-то внешних условий, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд приводил к концепции абсолютного пространства и времени, получившей наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии». Здесь абсолютное пространство и время определялись как некоторые самодовлеющие сущности, существующие вне и независимо от каких-либо материальных процессов.

И. Ньютон утверждал, что абсолютное пространство существует объективно. Пространство не связано с материей, не является ее свойством, а существует как некая самостоятельная сущность. Пространство — вместилище, наполненное материальными телами. Абсолютное время представлялось И. Ньютону равномерной, чистой длительностью, существующей независимо от материального мира, не связанной с протекающими в природе событиями. Время и пространство считались независимыми не только от механических процессов, но и относительно друг друга. Такая позиция относится к субстанциальной концепции пространства и времени. К сторонникам данной концепции можно отнести также Аристотеля, Демокрита, Эпикура.

Но не все ученые придерживались таких воззрений. Так, Г.В. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время — как порядок отношений и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая полагала, что пространство и время — это особые отношения между объектами и процессами и вне них не существуют. Сторонниками данной концепции являются Платон, И. Кант, П. Гассенди, Дж. Локк.

И субстанциальная, и реляционная концепции могут быть как материалистическими, так и идеалистическими. Представители субъективного идеализма (Дж. Беркли, Э. Мах и др.) ставили пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводили их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. И. Кант, например, утверждал, что пространство и время являются априорными формами человеческих чувств. П. Гассенди полагал, что без души время не существует. В этом случае следует говорить об идеалистической реляционной концепции.

Материалистическая реляционная концепция также высказывалась уже в античный период. В частности, римский философ- материалист Тит Лукреций Кар доказывал, что времени самого по себе, без явлений и процессов, не существует. Какая концепция пространства и времени является более справедливой для современной науки? Современная наука склоняется в пользу материалистической реляционной концепции. Значительным шагом в понимании природы пространства и времени стало создание выдающимся физиком А. Эйнштейном специальной теории относительности (1905) и общей теории относительности (1916), которые позволяют углубить представления о пространстве и времени.

Обратимся к этим теориям.

Создание СТО было завершено А. Эйнштейном в 1905 г. В соответствии с СТО 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 замедляются в быстродвижущихся системах.

Приведем постулаты специальной теории относительности:

• • Существуют инерциальные системы отсчета.
• • Геометрия пространства эвклидова.
• • Все инерциальные системы равноправны в отношении всех физических явлений (принцип относительности) [5] .
• • Скорость света постоянна.

Но находясь в сопутствующей системе отсчета, т.е. двигаясь параллельно, на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить релятивистских эффектов, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах протекают одинаково.

Однако если система является неинерциальной, т.е. движется с ускорениями или замедлениями, 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 истечет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля ближе к скорости света. В принципе 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 выключилась из хода развития на Земле.

Таким образом, специальная теория относительности показывает, что размеры и длительность по времени не абсолютны, а зависят от систем отсчета.

Идеи СТО получили дальнейшее развитие и конкретизацию в общей теории относительности (ОТО), созданной А. Эйнштейном в 1916г. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, появляющимся под действием ускорений. Эта теория утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

«Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. В ОТО были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неэвклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действиями гравитационных полей, создаваемых массами тел» [6] .

Таким образом, мы можем выделить основные философские идеи теории относительности А. Эйнштейна:

• 1. Теория относительности отказалась от понятий абсолютного времени и абсолютного пространства.
• 2. Теория относительности обосновала реляционную концепцию пространства-времени.
• 3. Она доказала связь материальных процессов с пространственно-временными свойствами.
• 4. Она внесла вклад в обоснование относительности научных теорий.

Сам А. Эйнштейн, отвечая на заданный ему вопрос о сути теории относительности, сказал: «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 пространство и время» [7] .

В 1922 г. советский математик А.А. Фридман сумел найти иное решение уравнений общей теории относительности, отказавшись от предположения о статичности Вселенной, но приняв допущение об однородности и изотропности распределения вещества. Из решения А.А. Фридмана уравнений тяготения следовало, что Вселенная нестационарна и ее пространство обладает переменной во времени кривизной, одинаковой в малых масштабах.

А.А. Фридман допускал три возможных следствия из предложенных им решений:

• • Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени.
• • Вселенная сжимается.
• • во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.

В 1929 г. американский астроном Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик красное смещение спектральных линий, что было истолковано как следствие эффекта Допплера и свидетельство взаимного удаления друг от друга галактик со скоростью, которая возрастает с расстоянием. После этого открытия вывод А.А. Фридмана о нестационарности Вселенной получил эмпирическое подтверждение, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Таким образом, в современной космологии утверждается, что галактики удаляются друг от друга.

В 1965 г. было обнаружено реликтовое излучение, которое открывает астрофизикам информацию о первых мгновениях существования нашей Вселенной. Это излучение также говорит о нестационарности Вселенной и о ее развитии.

Таким образом, нами были рассмотрены основные свойства (атрибуты) материи: структурность, движение, пространство, время. Вполне возможно, что в дальнейшем научные достижения, открытия приведут к уточнению и пересмотру современных представлений о материи и ее атрибутах.

Материя, пространство, движение, время

Лекция № 2

Наблюдая окружающий мир, сталкиваясь с ним в практической деятельности, человек замечает, что он представляет бесконечное множество различных предметов и явлений, качественно отличающихся друг от друга. Но при всем этом многообразии обнаруживается, что предметы и явления имеют общие черты, позволяющие вычленить из множества различные типы, классы, роды и виды этих предметов. Есть ли в предметах и явлениях окружающего мира общие свойство, присущее всем, единая основа, единая субстанция.

Философы решают этот вопрос по-разному.

Идеалисты выводят единство мира из сознания, из психического, идеального. Объективные идеалисты считают, что в основе мира лежит абсолютный дух, что мир – это воплощение духовного начала. Платон, например, говорит: «Материя происходит от Бога, и содержит его в себе». По Гегелю мир и природа являются порождением абсолютной идеи, природа есть «идея в форме инобытия», «погружение понятия во внешность». Субъективные идеалисты сводят единство мира к сознанию, воле субъекта.

Материалисты считают, что единство мира состоит не в его бытии, а в его материальности, а эта последняя доказывается длинным развитием философии и естествознания. Все естествознание пронизано попытками доказать материальное единство мира.

Важнейшие из них:

1. Открытия Коперника, Галилея, Ньютона о гелиоцентрическом строении солнечной системы

2. Закон Ньютона, посвященный всемирному тяготению, оказавшийся общим для всех материальных тел, и их комплексов, обладающих массой покоя.

3. Законы сохранения и превращения энергии, клеточная теория и теория Дарвина указали на наличие общих закономерностей в развитии природы.

4. Астрофизика, основываясь на спектральном анализе, показала, что на других планетах солнечной системы присутствует ряд химических элементов, что и на Земле. Это доказывает общность и единство космических тел.

5. Периодическая система Менделеева отражает единство материи, согласно которому свойства химических веществ и соединений находятся в зависимости от величин их атомных весов.

6. Общие для всех областей законы сохранения массы, энергии, импульса, зарядовой частоты, барионного заряда, изотопического спина, странности и др.

7. Открытый современной наукой факт взаимопревращения элементарных частиц, согласно которому любая элементарная частица может превратиться в любую другую, основой которой является, как полагают физики, кварки, и представителем элементарной частицы в их взаимодействиях выступают кварки.

Существует огромное количество определений материи:

Гегель, например, определяет ее так: «Материя есть абстракция, которая как таковая не может быть нами воспринята. Можно поэтому сказать, что не существует вообще материи, ибо она существует как нечто определенное, конкретное».

Ко 2 половине 19 в. оказалось, что некоторые объективные явления (свет) не подходят под традиционные понятия материи. На рубеже 19 и 20 веков грянула новейшая революция в естествознании. В 1896 году Беккерель открывает явление естественной радиоактивности, в 1898 Мария и Пьер Кюри открывают радий, в 1897 году Томсон открывает электрон, что вызвало полную растерянность, что материя отождествлялась с веществом и ее характерной чертой являлось наличие инертной массы, массы покоя.

В 1905 году появляется статья Эйнштейна «К электродинамике движущихся сред», в которой излагались первые основы теории относительности, подрывающей представления об абсолютности пространства и времени. Атом лишился своей неделимости, первоматерия ускользнула из рук физиков, сменившись эфиром и электричеством. Крах классической механики, поначалу воспринятый идеалистами как «материя исчезла» означал лишь крах метафизического материализма.

Итак, определением понятия материи примем определение: «материя – философская категория объективной реальности, которая обладает свойством рефлексии человеческим сознанием».

К этому определению материи можно сделать дополнение, что в современном естествознании она может восприниматься как некое «мертвое вещество», являющееся противоположным понятием жизни, душе и духу.

В современной физике материя – обозначение некоторой особой точки поля. В современной теории поля не существует некоторой посредствующей субстанции, и каждая сила создает «поле», распространяющееся по способу континуума и действующее на любое тело, помещенное в данное поле. Пустое само по себе пространство обладает единственным свойством содержать в себе поля. По трем видам сил, известным в настоящее время поля делятся не гравитационное (силы тяготения тяжелых масс), электромагнитные (силы притяжения и отталкивания заряженных тел или магнитных тел) и поля ядерных сил (нуклонов ядра). Поскольку всякая энергия есть некая масса, всякая масса есть некая энергия, то и поле представляет собой определенную массу, например электромагнитное поле, создаваемое электроном. Таким образом, напряженность поля – единственная физическая реальность. Материя в данном случае – сингулярность поля (узлы поля).

По иронии судьбы элементарными были названы частицы, которые имеют сложнейшую структуру. Отличительной особенностью этой структуры является то, что они не составлены из более мелких частиц, а в их способности к взаимопревращаемости. В нестоящее время существует огромное число элементарных частиц, поведение каждой необычно. Но восточная мудрость гласит, Из тысячи мышей нельзя получить одного слона.

Сформировались два подхода к построению теории элементарных частиц:

1. аристократический – существует элита избранных частиц (кварки), из которых составлены все остальные

2. демократический – нет избранных частиц – все частицы равноправны (гипотеза зашнурованности).

Наконец, к теории элементарных частиц предъявляются требования необычности, странности.

Движение – в самом общем значении – способ существования материи, ее атрибут, всякое взаимодействие материальных тел и объектов.

Об абсолютности движения можно говорить только в соотнесении с какой-либо точкой пространства, которая мыслится в мировом пространстве в состоянии покоя. Действительное движение всегда относительно, оно есть движение в соотнесении с какой-либо точкой пространства, находящейся в относительном движении или в относительном покое.

Континуум – четырехмерная система координат, дополняющая всеобщую теорию относительности А.Эйнштейна (сила тяжести и ускорение равноценны) временем как четвертой координатой (мир Минковского). Результаты наблюдений, истолкованных теорией относительности Эйнштейна, отклоняются от наблюдений классической механики и электродинамики, только при скоростях, близких к скорости света.

3 группы форм движения:

– в неорганической природе (перемещение, взаимодействие поля, химические взаимодействия, тепловые процессы, агрегатные состояния, звуковые колебания, изменения космических тел и систем)

– в живой природе (совокупность жизненных процессов, обмен веществ, процессы отражения, саморегуляции, воспроизводство, экология)

– в обществе (общественные виды деятельности, высшие формы отражения, целенаправленное преображение действительности)

1. с сохранением качественного состояния предмета (сохраняется некий набор признаков)

2. с изменением качественного состояния (разрушение, распад, образование нового объекта)

Пространство и время – всеобщие формы бытия материи, ее атрибуты. Не существует материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе, вне материи и независимо от нее.

Пространство – есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах.

Время – форма бытия материи, выражающая длительность ее существования, последовательность смены состояний в изменении, развитии всех материальных систем.

Пространство и время неразрывно связаны, их единство проявляется в движении и развитии материи.

Всеобщие свойства пространства и времени:

– объективность и независимость от сознания человека

– абсолютность как атрибутов материи

– неразрывная связь с движением

– единство прерывного и непрерывного в их структуре

– количественная и качественная бесконечность

Частные свойства пространства:

– метрические (связанные с измерением)

– топологические (связность, симметрия пространства)

– протяженность пространства – означающая рядоположенность и сосуществование различных элементов (точек, отрезков, объектов), связность и непрерывность (прерывность относительна)

Частные свойства времени:

– длительность (последовательность существования и смены состояний тел)

– непрерывность абсолютна (прерывность относительна)

– одномерность, асимметричность, необратимость

Субстанциальная концепция рассматривает пространство и время как особые сущности, которые существую сами по себе, независимо от материальных объектов. Они – арена, на которой находятся объекты и развертываются процессы (как сцена существует независимо от актеров и спектакля, так и пространство и время существуют независимо от объектов и процессов.

Реляционная концепция рассматривает пространство и время объективно-независящими от человека и человечества формами бытия материи, при этом неразрывно связанными с самой материей и ее движением.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 9491 — | 6697 — или читать все.

193.124.117.139 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Свойства пространства и времени с точки зрения современной науки