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.

      В новой физической теории пространство и время трактуются с позиции реляционной модели, как более адекватной современным физическим представлениям. Мы обращаем внимание именно на момент выбора модели для интерпретации, так как в современной физике существуют и представления, базирующиеся на модернизированном понимании субстанциальной концепции. Итак, с реляционных позиций время — это форма бытия материи, выражающая длительность существования и последовательность смены состояний различных систем. А пространство — форма бытия материи, выражающая структурность и протяженность различных систем. Пространство и время имеют целый ряд атрибутивных, т.е. неотъемлемых, свойств.

      Атрибутивные  свойства пространства:

- протяженность, т.е. рядоположенность и сосуществование различных элементов. Это означает, что к каждому элементу можно добавить или от него отнять другой элемент пространства. Протяженность порождает структурность объектов, которая проявляется в системе внутренних связей, собирающих элементы в единое целое;

- непрерывность, которая проявляется в характере перемещения тел от точки к точке и в распространении воздействий посредством полей как процесс передачи материи, энергии, информации;

- относительная дискретность (прерывность), которая обеспечивает относительно раздельное существование тел в природе;

- трехмерность, которая носит всеобщий характер. Все создаваемые в науке ямерные пространства есть лишь абстракции, удобные для описания. Реальное пространство трехмерно, и все явления можно отобразить в трех пространственных координатах.

      Атрибутивные  свойства времени:

- длительность, т.е. последовательность сменяющих друг друга состояний. В природе нет ничего застывшего, все движется и длится во времени;

- необратимость, означающая, что время протекает из прошлого через настоящее к будущему. Прошлое — все те события, которые осуществились. Оно воздействует на настоящее и будущее. Будущее — те события, которые могут произойти, возникнув из настоящего. Настоящее охватывает все события и системы, которые реально существуют. Следовательно, взаимодействие возможно лишь при одновременном существовании объектов. Объекты, существовавшие в прошлом, недоступны воздействию, так как они перешли в иное состояние. Мы можем лишь менять наши представления о прошлом, что, конечно, может изменить и трактовку некоторых событий дня сегодняшнего. На будущее же воздействовать возможно, создав систему причин и предпосылок возникновения какого-то события. Но до тех пор, пока оно не реализовано, оно остается лишь в потенциальном виде. Такая трактовка времени называется динамической. Существует и статическая концепция, согласно которой прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно, рядоположенно, а следовательно, между ними возможно и взаимодействие.

      Однако  пространство и время — это  не только физические понятия, но и особые феномены культуры. Поэтому их понимание в большой степени зависит от исторических и иных социокультурных условий. Как показывает лингвистический анализ, представители разных культур даже воспринимают время по-разному. Различия в понимании пространства и времени существенно влияют не только на специфику их восприятия, но и на специфику их использования даже в физике. Культура, которая выражается через язык, детерминирует образы и представления о мире, в том числе и научные, окрашивает науку в национальные цвета.

      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”.⁷

      Исходным  пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой.”²² Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил.”²²

      Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля. Он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки, а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - есть оно

равномерно  и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той, же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или нет? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто “да” или “нет”. Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем. Таким образом, слово “относительно” в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения  приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

      Если  классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.

      В соответствии со специальной теорией  относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно - временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

      Находясь  в сопутствующей системе отсчета, то есть, двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

      Подобные  процессы замедления хода времени в  зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10^-6 - 10^-15 с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрировано измерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в нем замедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада. Итак, специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Она была установлена XVX веке, составив 300 000 км/с. Это огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире.

      Представим  себе эксперимент: большой спутник  движется по орбите вокруг Земли, и с него, как с космодрома, запускается ракета - межпланетная станция к Венере. Запуск производится строго в направлении движения орбитального космодрома. Из законов классической механики следует, что относительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей: скорость ракеты относительно орбитального космодрома плюс скорость самого космодрома относительно Земли. Скорости движений складываются, и ракета получает довольно большую скорость, которая позволяет преодолеть притяжение Земли и улететь к Венере.

      Другой  эксперимент: со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света. Какова скорость распространения света относительно земли? Она остается такой же. Даже если свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном направлении, то и тогда относительно Земли скорость света не изменится.   

      Эксперимент, который  должен был показать изменение  скорости света в движущихся телах  и  соответственно  абсолютных  характер движения этих  тел,  был выполнен в 1881 г.  Майкельсоном (1852 - 1931). Впоследствии его не раз повторяли.  По существу, эксперимент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов, идущих к экранам на корме и на носу движущегося корабля,  но  в  качестве корабля была использована сама Земля,  движущаяся в пространстве со скоростью около 30 км/сек.  Далее,  сравнивали не скорость луча,  догоняющего тело и луча,  идущего навстречу телу,  а скорость распространения света в продольном и поперечном  направлениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так называемом интерферометре, один луч шел по направлению движения Земли - в продольном плече интерферометра,  а другой луч - в поперечном плече. Различие в скоростях этих лучей должно было  продемонстрировать зависимость скорости света в приборе от движения Земли.

      Результаты  эксперимента Майкельсона оказались  отрицательными. На поверхности Земли свет движется с одной и той же скоростью во всех направлениях.

  Такой вывод  казался  крайне  парадоксальным.  Он должен был привести к принципиальному отказу от классического правила сложения скоростей.  Скорость света одна и та же во всех телах, движущихся по отношению друг к другу равномерно и  прямолинейно. Свет проходит с  неизменной  скоростью,  приблизительно  равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет. Свет - это путник, который идет по полотну железной дороги,  между путями, с одной и той же скоростью относительно встречного поезда, относительно поезда, идущего в том же направлении,  относительно самого полотна, относительно пролетающего над ним самолета и т.д.,  или пассажир, который движется по вагону мчащегося поезда с одной и той  же  скоростью относительно вагона и относительно Земли.

      Это - иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета. Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости - закон природы, а поэтому - именно в соответствии с принципом относительности - он справедлив во всех инерциальных системах отсчета.

      Скорость  света - это верхний предел для  скорости перемещения любых тел  в природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости. “Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света”¹⁵. Поэтому часто говорят, что скорость света - предельная скорость передачи информации. И предельная скорость любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире.

      Со  скорость света тесно связано  решение проблемы одновременности, которая тоже оказывается относительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике, которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность. В  теории  относительности Эйнштейна  вопрос о свойствах и структуре  эфира трансформируется в вопрос о реальности  самого  эфира.  Отрицательные   результаты   многих   экспериментов  по  обнаружению  эфира  нашли  естественное   объяснение  в  теории относительности - эфир не существует.  Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая  выступает как синтез механики и электродинамики.

  Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили  Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность  длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие   одновременности лишено смысла: "Два события,  одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при  рассмотрении из системы, движущейся относительно данной".