Пространство и время как всеобщие формы бытия материи

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современном естествознании. В мире нет материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе вне материи.

Пространство – это форма бытия материи, характеризующая её протяжённость, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Пространство выражает порядок расположения одновременно сосуществующих объектов.

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

Пространство и время неразрывно связаны между собой. Их единство проявляется в движении и развитии материи. Для определения положения в пространстве необходимо задать координаты – широту, долготу и высоту. Это означает, что пространство трёхмерно. Птоломей в своём главном труде «Альмагест» уделял особое внимание размерности пространства, утверждая, что в природе не может быть более трёх пространственных измерений. Евклид построил геометрию трёхмерного пространства, известную в научном обиходе как евклидова геометрия.

Исторически развитие физических представлений о пространстве и времени проходило по двум направлениям в тесной связи с различными философскими представлениями. В начале одного из них лежали идеи Демокрита, приписывающего пустоте особый род бытия. Другое направление развития представлений о пространстве и времени восходит к Аристотелю, трактовавшему пространство и время как определённые типы отношений между объектами и их изменениями, не имеющими самостоятельного существования.

В рамках второго «аристотелевского» направления развития представлений о пространстве и времени Рене Декарт (1596 – 1650 гг.) предложил свою модель физического мира, состоящую из двух сущностей: материи (простой «протяжённости, наделённой формой») и движения. Поскольку «природа не терпит пустоты», у него протяжённость заполнена «тонкой материей», которую Бог наделил непрерывным движением. Для определения положения в пространстве Р. Декарт ввёл прямоугольную систему координат – x, y, z. В рамках своей модели физического мира Р. Декарт объяснял все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм взаимодействием неких элементарных частиц – флюидов. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел, таким образом, в физику идею близкодействия. Декартово представление о флюидах, заполняющих пространство, господствовало в науке XIX и частично XX вв., оказав существенное влияние на развитие таких разделов физики, как оптика и электричество.

В рамках другого, «демокритовского» направления развития представлений о пространстве и времени был открыт Г. Галилеем в 1636 г. принцип относительности: во всех инерциальных системах отсчёта все механические явления проходят одинаковым образом.

Отсюда следует, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой либо инерциальной системе отсчёта, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно или прямолинейно. (Инерциальная система отсчёта – это система, в которой справедлив закон инерции: тело, когда на него не действуют никакие силы или действуют силы взаимно уравновешенные, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения). Математические преобразования Галилея устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) открыл новые свойства пространства и времени, изучая движения перемещающихся тел. Согласно Ньютону, абсолютные пространство и время представляли собой самостоятельные сущности, которые не зависели ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов. И. Ньютон рассматривал пространство как некую независимо существующую субстанцию, способную динамически действовать на материальные тела.

У Ньютона все равномерные движения относительны, а ускорения абсолютны. Причины, вызывающие ускоренные движения он назвал силами. Силы пропорциональны ускорению тел с коэффициентом М, называемым инертной массой (см тему 3):

F = M×a

И. Ньютону принадлежит открытие универсального закона природы – закона всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Распространив на всю вселенную закон тяготения, Ньютон пришёл к выводу, что Вселенная бесконечна. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов – центров гравитации. Таким образом, пространство по Ньютону бесконечно.

С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени как об абсолютных сущностях выступил немецкий учёный Г.В. Лейбниц, трактовавший пространство и время как определённые типы отношений между объектами и их изменениями, не имеющие самостоятельного существования. Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени он пишет: «Считаю пространство так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство – порядком сосуществований, а время – порядком последовательностей».

Несмотря на это, ньютоновская концепция пространства и времени (в начале которой лежали идеи Демокрита) оказалась господствующей в естествознании вплоть до конца XIX века. Основные её положения сводятся к следующему:

Ø Пространство считалось бесконечным, абсолютным, пустым, однородным и изотропным (нет выделенных точек и направлений). Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Пространство выступало вместилищем материальных тел, как независимая от них инерциальная система;

Ø Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Время сводилось к длительности, его определяющим свойством было «показывать продолжительность события».