Развитие представлений о пространстве и времени

 

Для обыденных представлений пространство и время – нечто привычное, известное и очевидное. С самых первых дней после своего появления на свет ребенок начинает осознавать, что существуют разные направления в окружающем его мире. Вначале - это верх и низ, когда ребенок начинает вставать, возникает ощущение переда и зада. В более старшем возрасте различают правую и левую стороны. Тогда же осознается факт, что любой предмет занимает определенное место относительно других объектов, граничит с ними. Так постепенно, через осознание предельно общих свойств, отражающих структурную организацию окружающего нас мира, на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности складывается понятие пространства.

Понятие о времени также складывается еще в детском возрасте, но позже, чем представление о пространстве. Примерно с пяти лет ребенок начинает замечать смену дня и ночи. Несколько позже становится понятным деление суток на утро, день, вечер и ночь. Тогда же появляется представление о течении времени, о существовании сегодняшнего, вчерашнего и завтрашнего дней. Еще позже осознается возможность выделения как более коротких (час, минута, секунда), так и более длинных промежутков времени (неделя, месяц, год).

Таким образом, время – это форма бытия материи, характеризующая последовательность смены состояний и длительности существования любых объектов и процессов. Представление о времени складывается на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Достаточно быстро человек осознает и то, что пространство и время очень тесно взаимосвязаны друг с другом. Ведь время можно измерять мерой пространства – расстоянием, а расстояние – мерами времени. Так, время можно измерять относительным положением стрелок на циферблате часов, расстояние – временем, которое потребуется на дорогу до какого-либо объекта (пять минут ходьбы от метро).

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, хотя их рассуждения носили стихийный, нередко противоречивый характер. Так, для Демокрита пространство ассоциировалось с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов. Оно было вместилищем материальных тел. В то же время большинство древнегреческих философов (прежде всего элеаты) не признавали существования пустоты и тем самым связывали существование пространства с материальными телами, характеристикой которых оно являлось. Эти идеи в завершенной форме были высказаны в «Началах» Евклида, который считал пространство однородным и бесконечным.

Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и в классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.

Огромное значение для развития представлений о пространстве и времени имели работы Г. Галилея, который ввел в науку идею инерции и классический принцип относительности. Согласно этим принципам все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. В результате такие характеристики тел, как длина и время, являются неизменными.

Следующий важный шаг был сделан Р. Декартом, который связал физику и геометрию. Он ввел в науку координатную систему, в которой состояние материального тела описывалось с помощью трех пространственных (длина, ширина, высота) и одной временной координаты. Он же первым стал отождествлять пространство с протяженностью материальных объектов, отрицая при этом существование пустого пространства. Также Декарт связал время с длительностью материальных процессов, с осознанием человеком этой длительности.

Вершиной классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно он ввел господствовавшие в науке до начала XX в. представления о пространстве и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Это было сделано в его знаменитой книге «Математические начала натуральной философии». В ней Ньютон попытался объединить существующие в науке точки зрения на пространство и время.

В своем описании, с одной стороны, он использовал представления о пространстве и времени как о внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы даже при исчезновении материи. С другой стороны, он сохранял понимание пространства и времени как протяженности и длительности материальных объектов, существующих во Вселенной.

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить себе в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно. Его можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это минута, час, день, месяц, год.

Разграничение абсолютного и относительного пространства и времени, произведенное Ньютоном, связано со спецификой человеческого познания, которое происходит на двух уровнях – эмпирическом и теоретическом. На эмпирическом уровне познания человек воспринимает пространство и время через свои органы чувств. Такое познание ограничено способностями познающей личности и не может адекватно передать реальность нашего мира. Лишь находясь на теоретическом уровне познания, человеческий разум способен представить пространство и время как абсолютные, универсальные и инерциальные системы отсчета.

Абсолютное пространство и время Ньютона предстают перед нами в качестве самодовлеющих элементов бытия, существующих вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Это – «черный ящик», уже упоминавшийся выше. Такое понимание пространства и времени свойственно субстанциальной концепции. Конечно, у Ньютона пространство и время обладают не всеми признаками субстанции (первоначала мира). Они абсолютно самостоятельны и независимы от любых процессов, происходящих в мире. Но в отличие от материи, они не обладают свойством субстанции порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Правда, Ньютон считал, что как материя, так и пространство и время подвластны Богу, который является единственной подлинной реальностью.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время – как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он подчеркивал неразрывную связь материи с пространством и временем.

Но взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона. Сформулированные Ньютоном законы движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой классической механики, основывались на понятиях абсолютного пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки идей Ньютона предпочли не обращать внимания.

Ньютоновское пространство считалось бесконечным, плоским, евклидовым. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (одинаковое по всем направлениям). Это пространство выступало в качестве вместилища материальных тел, оно было независимой от этих тел инерциальной системой.

Абсолютное время было однородным и равномерно текущим, одинаковым во всей Вселенной. Оно служило универсальной длительностью, независимой системой отсчета любых процессов во Вселенной.

Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсолютных пространства и времени относительными. Тем не менее, инерция мышления была так велика, что еще несколько десятилетий признавалось существование мирового эфира как абсолютной системы отсчета, стоящей в одном ряду с абсолютными пространством и временем.

Существуют также такие концепции пространства и времени, которые ставят их в зависимость от человеческого сознания. Известные философы и ученые Беркли, Мах, Авенариус выводили пространство и время из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно подле другого. Так, И. Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания. В качестве аргумента он использовал ссылку на геометрию Евклида, неизменную в течение двух тысячелетий.

В других концепциях проблема пространства и времени рассматривалась во взаимосвязи 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 провидению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как относительного, как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся 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 физики, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время 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 давшей ей естественно-научное обоснование.

Теория относительности

 

Теория относительности стала результатом обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины XIX в. возникли серьезные противоречия. В то время в механике господствовал классический принцип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета, а в электродинамике – концепция эфира – ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство, являющейся абсолютной системой координат. Иными словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими.

Существование эфира долгое время не подвергалось сомнению. Более того, после выдвинутого Максвеллом предложения, что свет – это электромагнитная волна, распространяющаяся в мировом эфире, казалось, позиции сторонников эфирной теории еще больше укрепились. Не хватало лишь решающего эксперимента, который доказал бы, что наша планета движется сквозь эфир. Считалось, что при этом порождается «эфирный ветер», сносящий свет, испускаемый источником на Земле, в направлении против движения нашей планеты. Поскольку скорость движения Земли вокруг Солнца составляет 30 км/с, то скорость света должна была уменьшиться на эту же величину.

Такой эксперимент был проведен в 1887 г. А. Майкельсоном и Э. Морли. Они попытались обнаружить теоретически предсказанное смещение. Точность эксперимента для того времени была очень Высока, но никакого «эфирного ветра» им обнаружить не удалось.

Таким образом, опыт Майкельсона – Морли показал независимость скорости света от движения Земли. Отрицательный результат эксперимента было невозможно объяснить ни в рамках классической механики, ни в рамках электродинамики. Получалось, что вопреки существующей в электродинамике концепции эфира для электромагнитных явлений не было выделенной системы координат. Классический принцип относительности Галилея был верен и для них.

Ряд ученых попытались найти иное объяснение поставленному опыту. Среди них был нидерландский физик X. Лоренц, предложивший гипотезу о сокращении всех тел в направлении движения. Он вывел математические уравнения, называемые сегодня преобразованиями Лоренца. А в 1905 г. в журнале «Анналы физики» появилась статья неизвестного тогда еще А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В ней и были сформулированы основы специальной теории относительности, в которой он сумел по-новому интерпретировать преобразования Лоренца, придать им иной физический смысл. В частности, Эйнштейн смог показать, что преобразования Лоренца описывают-не реальные изменения размеров тел, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета.