План 

Введение 3

1. Развитие взглядов на пространство и время в истории науки 4

2. Пространство и время в свете теории относительности А.Эйнштейна 12

3. Свойства пространства и времени 22

Заключение 33

Библиографический список 35 

 

Введение

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

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

     Атомизм древнегреческих натурфилософов и  геометрия Эвклида послужили  основанием для классической механики Ньютона. Накопление знаний в различных  областях физики и астрономии привело  к следующему шагу познания - созданию теории относительности Эйнштейна. Прошлый век  - век бурного развития науки был наиболее плодотворным в плане познания времени и  пространства. Появление в начале века сначала специальной, а потом  и общей теории относительности  заложило основу современного научного представления о мире, многие положения  теории были подтверждены опытными данными.

     Прошло  более 2500 лет с той поры, как  было положено начало осмыслению времени  и пространства, тем не менее, и  интерес к проблеме и споры  философов, физиков и представителей других наук вокруг определения природы  пространства и времени нисколько  не снижаются. Значительный интерес  к проблеме пространства и времени  естественен и закономерен, влияния данных факторов на все аспекты деятельности человека нельзя переоценить. Понятие пространства - времени является важнейшим и самым загадочным свойством Природы или, по крайней мере, человеческой природы. Представление о пространстве времени подавляет наше воображение.

     Целью данной работы является изучение представления  о пространстве и времени. В связи  с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

- рассмотреть  более ранние представления о  пространстве и времени;

- изучить  специальную и общую теорию  относительности;

- изучить  свойства пространства и времени.

              1. Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

     Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Представители элейской школы в Древней Греции отрицали возможность существования пустого пространства, или, по их выражению, небытия. Знаменитый врач и философ Эмпедокл хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

     Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для перемещений и соединений атомов.

     В доньютоновский период развитие представлений  о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и  противоречивый характер. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве.

     Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест»,  господствовала в естествознании до  XVI  в.  Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

     Коренное  изменение пространственной и всей физической картины произошло в  гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло

в том, что в ней концепция единого  однородного пространства и равномерности  течения времени обрела реальный эмпирический базис.

     Признав подвижность Земли, Коперник в своей  теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника  не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно-научной мысли к признанию  безграничности и бесконечности  пространства.

     Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и мирах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...»¹. Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

     Практическое  обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» И. Кеплера и в небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.

     Подлинная революция в механике связана  с именем Г. Галилея, Он ввел в механику точный количественный эксперимент  и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений  о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики — принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

     Дальнейшее  развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия.

     Декарт  обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную  впоследствии его именем), в которой  время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его  к отождествлению материальности и  протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и  отождествил пространство с протяженностью.

     Декарт  развил также представление о  соотношении длительности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же — соприсуще человеку и потому является модулем мышления». «...Время, которое мы отличаем от длительности, — пишет Декарт в "Началах философии", — есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим...»².

     Таким образом, развитие представлений о  пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.

     Новая физическая гравитационная картина  мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

     

     Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что  Вселенная является не конечной, а  бесконечной. Лишь в этом случае в  ней может существовать множество  космических объектов — центров  гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном  пространстве, в котором находятся  космические объекты, связанные  между собой силой тяготения.

     В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона  «Математические начала натуральной  философии». Этот труд более чем  на два столетия определил развитие всей естественно-научной картины  мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение  понятий пространства, времени, места и движения.

     Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения»³. Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику.

• Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
• Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.
• Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное⁴.

     Из  определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий  абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического  уровней их познания. На теоретическом  уровне классической механики абсолютное пространство и время играли существенную роль во всей причинной структуре  описания мира. Они выступали в  качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространство» и «время» ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства.

     Ньютоновское  понимание пространства и времени  вызвало неоднозначную реакцию  со стороны его современников  — естествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений  о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г. В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.

     Указывая  на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц  писал: «Считаю пространство так  же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком сосуществований, а время — порядком последовательностей»⁵.

     Предвосхищая  положения теории относительности  Эйнштейна о неразрывной связи  пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться  в «отвлечении» от самих вещей. «Мгновения в отрыве от вещей ничто, — писал  он, — и они имеют свое существование  в последовательном порядке самих  вещей»⁶.