Развитие представлений о пространстве и времени

Концепции современного естествознания

1. Развитие представлений о пространстве и времени.

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. Недаром попытки философов античности, схоластов средневековья и современных  ученых, владеющих знанием наук и  опытом их истории, понять сущность времени  – пространства не дали однозначных  ответов на поставленные вопросы.

Диалектический  материализм исходит из того, что "в мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в  пространстве и во времени". Пространство и время, здесь выступают в  качестве фундаментальных форм существования  материи. Классическая физика рассматривала  пространственно - временной континуум  как универсальную арену динамики физических объектов. В прошлом веке представители неклассической физики (физики элементарных частиц, квантовой  физики и др.) выдвинули новые  представления о пространстве и  времени, неразрывно связав эти категории  между собой. Возникли самые разные концепции: согласно одним, в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного  пространства, а физические объекты  являются только проявлениями этого  пространства. Другие концепции утверждают, что пространство и время присущи  лишь макроскопическим объектам. Наряду с интерпретацией времени – пространства философией физики существуют многочисленные теории философов, придерживающихся идеалистических  взглядов, так Анри Бергсон утверждал, что время может быть познано  только нерациональной интуицией, а  научные концепции, представляющие время, как имеющее какое-либо направление, неверно интерпретируют реальность.

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

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ – ВРЕМЕНИ ДО НАЧАЛА 20-ГО ВЕКА.

Понятие пространства и времени в античной философии.

Понятие времени  возникло на основе восприятия человеком  смены событий, предоставленной  смены состояний предметов и  круговорота различных процессов. Естественнонаучные представления  о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе  и в первую очередь в макромире  твердых физических тел, занимающих определенный объем. Рациональные идеи, согласующиеся с сегодняшними представлениями  о времени – пространстве можно  найти в учениях почти всех античных мыслителей. Так уже в  учении Гераклита центральное место  занимает идея всеобщего изменения  – в ту же реку вступаем и не вступаем. В анализе античных доктрин о  пространстве и времени остановимся  на двух наиболее полно исследовавших  данный вопрос: атомизме Демокрита и системе Аристотеля.

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.

Развитие представлений о пространстве и времени в классической физике.

Следующим значительным шагов в развитии представлений  о природе пространства и времени  были работы представителей классической физики. Как и для античных исследователей мира, для представителей классической физики основными были обыденные  представления о пространстве и  времени как о каких-то внешних  условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились  бы, если бы даже материя исчезла. Такой  взгляд позволил сформулировать концепцию  абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона  “Математические начала натуральной  философии”. Этот труд более чем  на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение  пространства, времени, места и движения.  

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую  типологическую характеристику: 

«Абсолютное, истинное, материалистическое время  само по себе и своей сущности, без  всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и  иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...».  

Абсолютное  пространство по своей сущности, не связано с объектами, помещенными  в него, и 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 неподвижное. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и  всего существующего. При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов. 

Этот взгляд близок к субстанциональному пониманию  пространства и времени, хотя у Ньютона  они и не являются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают лишь одним  признаком субстанции - абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важным качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя - тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время и привел их в движение. Бог, являясь существом непространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени, Бог существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, он создал мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его существование прекратиться, а вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная вездесущность. Подобные взгляды выражались еще Платоном, Аврелием, Августином, Фомой Аквинским и их последователями.

В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержаться глубокие противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обреченность его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости Бога. Этим божественным атрибутам более соответствовало  бы бесконечное множество актов  творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из них реализовывалась  бы определенная идея, данная этому  миру Богом, а все множество этих идей создавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идей, высказанные  в общем виде еще александрийским  теологом Оригеном (IIIв. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в Новое время развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциально возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.

Наряду с  объективными представлениями о  пространстве – времени существовали и идеалистические концепции (Беркли, Мах, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течение двух тысячелетий. 

После выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно развиваться, причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света вновь возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства.

Проблема  пространства и времени была тесно  связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие. Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физике, было унаследовано и развито далее в XXвеке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

Современное понимание пространства и времени  было сформулировано в теории относительности  А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давней ей естественнонаучное обоснование.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ  ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ.

Специальная теория относительности.

Специальная теория относительности, созданная  в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом  обобщения и синтеза классической механики Галелея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”.[1]