Реферат: Пространство и время как философские категории. Пространство реферат по философии

Реферат - Пространство и время

(реферативное исследование)

1. Начало

Решение написать реферат, вкотором бы подробно анализировались категории пространства и времени, связано стем, что это действительно мне интересно. Этот интерес давний и искренний.Подтверждением тому моя научная работа в области теоретической физики – язанимаюсь квантовыми черными дырами. Для непосвященного, возможно, не ясно, какэто касается пространства и времени, но, надеюсь, в этой работе я смогуобъяснить это. Конечно, есть риск превратить реферат по философии внаучно-популярную статью по физике, но, коль скоро мы заговорили о пространствеи времени, без экскурса в современную физику наше обсуждение будет существеннонеполным.

Кроме того, ни один изкрупных философов от древности до ХХ века не обходил вниманием понятияпространства и времени, поэтому недостатка в реферируемом нет, и этонемаловажно. Вопрос, что же есть пространство и время, тем не менее, каккажется мне, еще далек от своего полного разрешения. Физика уходящего столетиязаставила несколько раз поменять взгляды на столь фундаментальные понятия и выявиланесостоятельность большинства философских концепций. Наверное, сейчас редкийфилософ рискнет обсуждать этот вопрос, отдав его на откуп физикам, что еще разподтверждает мое право не только цитировать классиков, но и принять посильноеучастие в дискуссии. Здесь можно привести шутливое высказывание замечательногоамериканского физика-теоретика Ричарда Фейнмана: “… когда будут открыты всефизические законы, придет время философов, которые до этого стояли рядом иподавали глупые советы” [1]. Ввиду отсутствия ясного взгляда на пространство ивремя и даже, быть может, их четкого определения, нам остается рассмотретьисторию вопроса, которая открывается греческой философией и проходитпрактически через все основные философские учения. В реферате сознательно обойдемслишком экзотические концепции, такие как теория Бергсона, и это вовсе незначит, что они были совсем упущены из вида. Дело в том, что их ценность длясовременности и будущего науки представляется сомнительной.

Все многообразие взглядовможно разделить на две основные категории. 1) пространство и время субъективны;2) они объективны. Пожалуй, нумерацию лучше поменять, т. к. я являюсьпоследовательным сторонником первой точки зрения. В разные времена люди ставилиразные вопросы касательно природы и свойств пространства и времени, но один изних, по крайней мере, прослеживается издревле: существует ли “пустоепространство”? Позже к нему примкнул другой: можно ли говорить о времени, если“ничего не происходит”. Не буду интриговать читателя и скажу, что на этивопросы в середине ХХ века, наконец-то, получен строгий однозначный ответ –нет. А вот почему? С объяснением придется подождать. Необходимые комментарии ипояснения из области физики будет даны по ходу обсуждения.

Действительно, категориипространства и времени являются, пожалую, одними из самых сложных в философии.Человек желает раскрыть истинный смысл и природу вещей и явлений, егоокружающих. Если с объяснением материальных объектов (назовем их так) делообстоит более менее неплохо, то с пространством и временем вопрос темный. Какмне представляется, причина состоит в том, что большинство материальныхобъектов человек может “повертеть в руках”, рассмотреть их,поэкспериментировать с ними и, поразмыслив, составить представление об ихприроде. Ставить опыты со временем и пространством человечество еще ненаучилось, и на долю ученых остается лишь их мысленное созерцание. Мы до сихпор подобны греческим философам, которые строили свои метафизические теории безактивного вмешательства в природу, ограничиваясь случайными, и, в общем-то,неупорядоченными наблюдениями. Понятно, что при этом трудно рассчитывать наглубокое и правильное понимание вопроса. Видимо придется ждать нового Галилея,который сможет ставить опыты со временем и пространством. Если верить обещаниямамериканских физиков и инженеров, то ждать осталось недолго. В скором временимы станем свидетелями первого в истории человечества эксперимента спространством и временем – возможным наблюдением гравитационных волн в рамкахамериканского проекта LIGO. Первая установка требуемой точности вступит встрой, как обещано, в 2001 году в Калифорнии (США).

2. Греки

Итак, начнем с греков.Большинство из философов того далекого прошлого не интересовались пространствомв чистом виде, обсуждение подобных проблем носило вспомогательный характер прианализе покоя и движения и вообще в метафизике. А это в свою очередь для грековнеизбежно сводилось к вопросу о существовании пустоты или, мы бы сказали,“пустого пространства”, не заполненного никакими телами. Причем люди уже тогдахорошо понимали, что воздух не есть настоящая пустота – это тоже тело (среда).Доводы сторонников существования пустоты в природе сводились к аргументу, чтоесли бы в мире все места были заполнены, то тела не смогли бы двигаться, и этопротиворечит истинному положению дел. Этот довод был очень сильным и греки, вобщем-то, ничего не смогли противопоставить ему по существу. Вывод, сделанныйпоследователями Парменида, был неожиданным и парадоксальным, – движения нет. Небудем обсуждать мировоззрение и философию, следующее отсюда, сосредоточимся насамом утверждении. “Конечно, можно возразить, и, вероятно, это будетосновательно, что движение никогда не может возникнуть в заполненномпространстве, но нельзя обоснованно утверждать, что оно там вовсе не можетпроисходить” [2].

Очень замечательны в этомотношении апории Зенона, ученика Парменида. Мы вполне можем утверждать, что этипарадоксы касаются непосредственно свойств пространства и времени. Онинастолько широко известны, что приводить их здесь смыслы не имеет, перейдемсразу же к анализу. Зенон старался показать при их помощи парадоксальностьдвижения. Но для нас очень важно то, что пространственный отрезок Зенон считалвозможным делить до бесконечности также как и рассматривать бесконечно близкиемоменты времени. Таким образом, можно утверждать, что в античности пространствои время мыслились непрерывными, это один из важнейших для нас моментов,запомним это.

Современники Зенона былинастолько поражены апориями, что конечно же старались найти какие-тообъяснения. Здесь я упомяну интересное разрешение этих парадоксов, данноеДемокритом. Вообще последовательная позиция этого атомиста заслуживаетуважения, ведь он считал “зернистым” не только вещество, но и время, ипространством. Довод Демокрита состоял в том, что пространство дискретно, и длятела возможно лишь определенное счетное множество положений. Поясняя эту мысль,скажу, что пространство представлялось ему как бы разлинованным на клеточки, иатомы могут находиться только в определенных клетках, а с одного место всоседние перемещаться скачкообразно. Долгое время казавшаяся оригинальной, ноне имеющей никакого отношения к действительности, эта точка зрения вновьпривлекла к себе внимание лишь сейчас в связи с гипотезами относительно теорииквантовой гравитации. Недавно некоторые авторы, к которым относится и известныйсоветский физик Блохинцев [4], делали попытки проанализировать модельдискретного пространства-времени. Квант пространства при этом равнялсяневообразимо малой величине 10-33 см, а квант времени 10-43сек. Хотя и нельзя сказать, что такой подход сейчас считается перспективным, ностоль неожиданные параллели между античными идеями и современными физическимипарадигмами весьма замечательны. Во избежание недоразумений поясню, что сейчасуже речь, конечно, не идет о преодолении классических апорий, причина введениядискретного пространства состоит в другом.

Позже греки отчетливоразделяли материю и пространство, как вместилище всех вещей, наиболее четкотакая позиция сформулирована у Аристотеля: “Утверждающие существование пустотыназывают ее местом; в этом смысле пустота была бы местом, лишенным тела” [3].Кстати, у Аристотеля движение возможно только благодаря веществу. Брошенноетело высвобождает позади себя место, куда устремляется воздух, подталкивая теловперед. Далее следует развитие этой мысли, что в более разреженной средесопротивление движению слабее и тело движется быстрее. Так в пустоте движениестало бы настолько быстрым, что тело приобрело свойство вездесущности. Этот выводговорит о весьма оригинальном понимании Аристотелем пространства и его свойств.Несмотря на кажутся наивность такой точки зрения, здесь содержится весьмаглубокое умозаключение, что в пустом пространстве все положения (точки)равноправны, хотя стагирит, видимо, не понимает это утверждения в подобномсвете. Эти идеи Аристотеля представляются мне этаким античным аналогом теоремыЭммы Нетер, сформулированной в прошлом веке.

Говоря об античном воззрениина пространство и время, никак нельзя обойти геометрию Евклида. Это, наверное,первая строгая и последовательная научная теория, построенная индуктивнымспособом на основе аксиом, которых в элементарной геометрии пять. Эти постулатыказались совершенно естественными и неколебимыми для математиков вплоть до Лобачевского,Бойяи и Римана (см. ниже). Аксиомы Евклида произошли исключительно из опыта,т.е. согласно Канту представляют собой синтетические высказывания, однако, тотже немецкий философ замечает, что даны они человеку априори. Что важно для насв античной геометрии. Наверное, стоит отметить то, что люди научилисьтеоретически обращаться с идеальными объектами на плоскости – точками, прямымии т. д., греки смогли абстрагироваться от реальных объектов и рассматриватьотдельно форму. Можно сказать, что во времена Евклида, появились абстрактныепредставления о пространстве. Это знаменует качественной скачек в сознании, спространством, оказывается, можно оперировать, отвлекаясь от наполняющего еговещества.

3. От Исаака до Альберта

Вкратце познакомившись с мнениемантичных философов относительно пространства и времени, так как их точка зренияпредставляет скорее исторический интерес, двинемся дальше. Примем к сведению ихпорой оригинальные теории, но не станем спорить с классиками. Гораздо важнеедля нас Декарт, “… доводы которого точно совпадают с положениями раннихгреческих философов, сказал, что протяженность является сущностью материи, а,следовательно, материя имеется повсюду. У него протяженность – прилагательное,а не существительное, ее существительное – материя, и без своегосуществительного протяженность не может существовать. Для него пустоепространство также абсурдно, как счастье без чувствующего существа, котороесчастливо” [4]. Можно констатировать, что для Декарта пространство, коль скороони есть, заполнено материей, средой. И такую особенную среду Декарт изобрел,назвав ее “тонкой материей”. Для физиков второй половину прошлого века такой“тонкой материей” был эфир – некая среда, наполняющая пространство,относительно которой распространяются электромагнитные волны. Видимо,использовав такую аналогию, я не сильно искажаю понятие “тонкой материи”Декарта (за исключением, естественно, всего сказанного об колебанияхэлектромагнитного поля). Пространство надо было заполнить такой протяженной материей,причем эта материя практически не проявляется в нашем мире. Мне представляется,что тогда “токая материя” фактически ничем не отличается от пустоты.

Декарт, похоже, все же оченьхотел исследовать пространство как таковое без вещества. Не удивительно, чтопрогресс в этой области был достигнут рационалистом, ведь возможностьисследования пространства эмпирическими методами представляется на тот моментнесколько сомнительной. Декарту принадлежит изобретение координатной плоскости.Это уже следующая степень абстракции после Евклида. За счет введения системыкоординат удалось свести геометрию к чисто аналитической дисциплине, не говоряо том, что сам метод координат играет решающую роль в современнойрелятивистской физике. Декартовы координаты, будучи определены при помощитройки действительных чисел, совершенно четко показывают непрерывностьпространства и его трехмерность. Выражаясь языком современной математики, послеДекарта пространство стало многообразием, т.е. таким множеством элементов(точек), которое можно параметризовать при помощи набора действительных чисел.Утверждение о том, что пространство есть многообразие, является важнейшимположением современной физики.

Следующий принципиальный шагбыл сделан с появлением механики Исаака Ньютона. Чтобы сформулировать законыдинамики Ньютону пришлось обратиться к принципиальному вопросу, что естьпространство и время? Ему было необходимо просто-напросто дать определение этимпонятиям, раз уж он строил аксиоматическую теорию наподобие евклидовойгеометрии. На этом моменте следует остановиться подробнее, потому что, мнекажется, сами того не осознавая, большинство наших современников, изучавших вшколе физику, но не занимающиеся ею профессионально, придерживаются именноньютоновского взгляда на пространство и время. В нашей критике Исаака Ньютонабудем следовать Эрнсту Маху [6], давшему, на мой взгляд, самую основательнуюоценку трудов великого англичанина.

Обратимся к первоисточнику[8]. “В изложенном выше имелось в виду объяснить, в каком смысле употребляются вдальнейшем менее известные названия. Время, пространство, место и движениесоставляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятияобыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюдапроисходят некоторые неправильные сужения, для устранения которых необходимовышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные икажущиеся, математические и обыденные.

Абсолютное. Истинное иматематическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякогоотношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называетсядлительностью.

Относительное, кажущееся илиобыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами,внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности,употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени,как-то: час, день, месяц, год…”. Этим определением Ньютон абсолютизирует время,как текущее вне зависимости от любых реальных процессов в природе. Далее в этомже тексте Ньютон говорит, что может не существовать точного стандарта временина основе физических или астрономических явлений, из-за их несовершенства (всмысле точной неповторимости). “Создается впечатление, – пишет Мах [6], – что …Ньютон находится еще под влиянием средневековой философии, как будто бы онизменил своему намерению исследовать только фактическое”, время становитсячем-то абстрактным, независящем от всякого измерения.

Что же касается пространства,то Ньютон пишет: “Абсолютное пространство по самой своей сущности,безотносительно к чему бы то ни было внешнему, останется всегда одинаковым инеподвижным. Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижнаячасть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительнонекоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространствонеподвижное…”. Здесь представляется излишним комментировать это положениеНьютона, оно весьма аналогично его суждению о времени. Важно, что в “Началах …”различается абсолютное и относительное движения, причем это обсуждается авторомочень тщательно.

Наверное Ньютон находился подвлиянием Декарта, но выкинув “тонкую материю”, оставляет для своей механикитолько абстрактную жесткую и неподвижную систему координат, считая однако еевполне реальной сущностью. Разделяя абсолютное и относительное движение, Ньютондаже сделал шаг назад по сравнению с Декартом, который еще раньше вполнеправильно понимал относительность всякого движения. Возможно философскиемоменты довольно непоследовательны и искусственны, но не будем забывать, чтозадача Ньютона была совсем в другом – научиться описывать динамику тел. Успехмеханики был столь велик, что “судить победителя” научное сообщество взялосьтолько два столетия спустя, когда началось внимательное осмысление фундаментальныхположений теории Исаака Ньютона такими учеными как Ланге и Мах. Их идеи логичнобудет поместить здесь, т.к. во многом они вытекают из критики Ньютона.

Мах придерживался той точкизрения, что нелепо говорить о движении тела безотносительно других тел, измеряядвижение лишь в абсолютном пространстве. Весь наш опыт ведь сводится кизмерению лишь расстояний между отдельными предметами. Мах приводит парадокс.Предположим, что тело помещено в абсолютно пустое пространство, которое лишенодаже сильно удаленных звезд, тогда нельзя понять находится ли наше тело в покоеили к примеру вращается вокруг собственной оси кроме, как измеривцентростремительное ускорение. Такой вывод строго следует из представлений обабсолютном пространстве у Ньютона, и можно выделить “абсолютно невращающуюся”систему отсчета в пустоте, что Мах как позицивист принять не мог.

Выход, который предлагает Махследующий. Давайте сформулируем закон инерции (который собственно и определяет,что есть инерциальная система отсчета) иначе. “Вместо того, что относитьдвижущееся тело к пространству (к какой-нибудь инерциальной системе), будемрассматривать непосредственно его отношение к телам мира, посредством которыхтолько и можно определить систему координат”. Очень далекие друг от друга теладвижутся с постоянными по величине и направлению (относительными) скоростями.Близкие тела, находящиеся “в более сложном отношении” или, мы бы сказали,взаимодействующие друг с другом и движутся уже с непостоянной относительнойскоростью. Теперь “вместо того, чтобы говорить: расстояние и скорость массы впространстве остаются постоянными, можно употреблять выражение, что среднееускорение массы <…> относительно <всех других масс …> равно нулю”[6]. При этом ненулевое ускорение относительно ближайших тел будетскомпенсировано большим вкладом массивных удаленных объектов (звезд), которые сисследуемым телом не взаимодействуют. Поясним, что наше тело на самом делесвободно, а ускорение относительно соседей может быть из-за того эти самыесоседние тела могут быть по каким-то причинам подвержены действию сил, и, темсамым, ускорены они. Удаленные массы во Вселенной “задают” инереицальн(ую/ые)системы отсчета.

Такая трактовка законаинерции Махом по истине относительная. Однако подразумевает некоторую космологию,хотя и не важно какую именно. На это Эрнст Мах отвечает, что быть может и несуществует локальных законов типа ньтоновских, и, чтобы описывать даже движениетел в небольшом объеме, “невозможно отвлечься от остального мира.” Он далеезамечает [6], “Природа не начинает с элементов, как вынуждены начинать с нихмы. Впрочем, для нас счастье, если нам удается на некоторое время отвести взорот огромного целого и сосредоточиться на его отдельных частях.” Таким образомМах исправляет идейные основания классической механики, констатируя, что вобыденности мы можем пользоваться законами Ньютона, понимая однако по-другому,что есть инерциальная система отсчета.

Оставим пока Маха и вернемсячуть назад во времени. (Мне очень трудно придерживаться хронологии и в то жевремя не разрывать логически изложение эволюции той или иной концепции.) Чтобызавершить разговор о пространстве и времени, как его представляли люди началаXIX столетия, надо обсудить некоторые субъективистские парадигмы. Наверное, вовремена Юма возникло также новое причинное понимание времени, которое,упрощенно говоря, состоит в том, что время воспринимает нами как “параметр”, покоторому упорядочиваются причина и производимое ею следствие. Вообще в этовремя мы видим, как наряду с вопросом о времени появляется вопрос причинности,но это уже лежит за пределами определенного мной реферата.

Следующий на ком мы остановимсвой пристальный взгляд – Лейбниц. Но тут мы сталкиваемся с новой субъективнойтеорией пространства, которая нашла свое завершение в философии ИммануилаКанта. Основываясь на своем учении о монадах. Лейбниц считает, что“пространства – как оно является чувствам, и как его рассматривает физика, – несуществует, но оно имеет реального двойника, а именно расположение монад втрехмерном порядке соответственно точки зрения, с которой они отражают мир.Каждая монада видит мир в определенной перспективе присущей только ей; в этомсмысле мы можем несколько произвольно говорить о монадах как имеющихпространственное положение”. Я лично не могу принять такую позицию, но всю своюкритику я обрушу на Лейбница и Канта вместе, а пока надо прейти к теориипространства и времени последнего, что дать пищу нашему обсуждению.

Кант утверждает, что нашиощущения имеют причины, которые он называет “вещами в себе”. Наше восприятие,называемое “феноменом”, состоит из “ощущения” (объективная составляющая) и“формы” явления. Форма не есть само ощущение, это субъективный аппарат,устанавливающий определенные отношения явлений и их порядок. Форма не зависитот среды и априорна, она всегда присутствует в нас и не связана с опытом. У“чистой формы” есть две составляющие – пространство и время. При этомпространство “ответственно” за внешние ощущения, а время – за внутренние. Дляобоснования своей позиции Кант выдвигает несколько доказательств, чтопространство и время являются априорными формами.

“Пространство не естьэмпирическое понятие, отвлекаемое от внешнего опыта, В самом деле,представление пространства должно уже лежать в основе для того, чтобы известныеощущения были относимы к чему-то вне меня (то есть к чему-то в другом местепространства, чем то, где я нахожусь), а также для того, чтобы я могпредставлять их как находящиеся вне друг друга, следовательно, не только какразличные, но и как находящиеся в различных местах”.

“Пространство есть недискурсивное, или, как говорят, общее, понятие об отношениях вещей вообще, ачисто наглядное представление. В самом деле, можно представить себе только одноединственное пространство, и если говорят о многих пространствах, то под нимиподразумевают лишь части одного и того же единого пространства, к тому же этичасти не могут предшествовать единому всеохватывающему пространству как егосоставные элементы (из которых возможно было бы сложение), но могут бытьмыслимы только как находящиеся в нем. Пространство существенно едино;многообразное в нем, а, следовательно, также общее понятие о пространствахвообще основывается исключительно на ограничениях”.

Другие аргументы Кантасостоят в том, что поскольку мы не можем вообразить, что не существуетпространство, то это понятие априорное, кроме того пространство – бесконечноданная величина. Последние заключения не состоятельны, т.к. являются сугубосубъективными, и другой человек может воображать все совершенно иначе.Серьезный аргумент не может быть основан на том, что можно или нельзяпредставить. Против утверждения из первой цитаты можно сказать, что разпространственное расположение вещей завит от субъекта, расставляющего их (чтобырасширить нашу критику и на Лейбница тоже вместо слова “субъект” можно ставитьслово “монада”). Но нельзя же игнорировать физические закономерности, которыеопределяют движение тел в пространстве. Получается, по совпадению для разныхсубъектов эти законы одинаковы, в то время, как располагать предметы они могутпо соей воле.

В принципе выводы, которыеделает Кант, еще можно было стерпеть в конце XVIII века во время торжестваньютоновской механики, но с появлением общей теории относительности онистановятся с очевидностью ошибочными. Поясню свою мысль. Дело в том, что вэйнштейновской теории гравитации искривление самого пространства ведет к вполнеопределенным регистрируемым эффектам. Если стоять на позиции Канта, тополучатся, что мое субъективное восприятие мира (“вид” пространства) приводит кобъективным ощущениям (физическим явлениям).

Второе доказательствоИммануила Канта, касающееся единства пространства и невозможности воображения“других” пространств”, с релятивистской точки зрения опровергается тем, чтопространство или пространства не являются субстанциями (так считает БертранРассел). Я же могу добавить, что если понимать “пространство” в математическомсмысле слова, т.е. допустить существование пространств различных размерностей,сигнатур и топологий, то они никак не могут являться частями одного (плоскоготрехмерного) пространства. Мне кажет, что здесь я достаточно показалнесостоятельность теории Канта с точки зрения современной науки, поэтому небудем углублять критику, а лучше обратимся к более важным и реалистичнымпарадигмам, тем более, что нас ждет новая эпоха – время релятивизма.

4. Относительноотносительности

Сложно оценить насколькогромадный вклад в учение о пространстве внес немецкий математик Риман. Егомысли были столь прогрессивны, что полностью не исчерпаны даже в современнойфизике. Эйнштейн многое взял у Римана, от части развенчивая первого, можно дажесказать, что идеология ОТО заложена еще в работах Римана середины прошлого(позапрошлого) века. Взгляды Римана наиболее компактно изложены в лекции [9],прочитанной 10 июня 1854 года (опубликовано в 1868 г.

Риман вводит понятиеn-протяженной величины, что на более понятном нам языке означает многомерноепространство. Естественно представить его можно только аналитически, а ни какне вообразить себе его наглядно. Математика того времени, как раз начала ужеоперировать со столь абстрактными объектами, не даваемыми нам повседневнымопытом. Предвидя возможные возражения и непонимание у современников, Римандолго в своей работе разъясняет понятие многомерности. Сейчас множественностьпространственно-временных измерений встречается в физике довольно часто, нотогда такое обобщение многим казалось необоснованным. Некоторые предостережениядавали позитивисты того времени, в том числе и Мах [7], но, впрочем, ониразделяли позицию Римана. Возник новый вопрос: “Почему пространство трехмерно?”

Первым применениеммногомерности можно назвать четырехмерное пространство Минковского, где нарядус ординарными пространственными измерениями фигурирует время. Не вдаваясь вматематические пояснения, скажу, что, однако, у нового измерения есть некоторыезамечательные особенности, и как следствие метрика такого пространстваоказывается индефинитной. Вообще говоря мало ввести еще одно число, какизмерение, например температуру данной точки. Новая координата должна быть“однородной” с остальными, должны существовать преобразования “связывающие”друг с другом различные измерения (в случае с температурой их нет). Длячетырехмерного пространства-времени Минковского такими преобразованиямиявляются преобразования Лоренца, имеющими, как показал Эйнштейн, физическийсмысл.

Вот мы плавно и перешли кобсуждению специальной теории относительности (СТО). Эйнштейн ввел постулат оразличимости физических процессов и об одинаковости скорости света в разныхинерциальных системах отсчета. Далее математическими выкладками не сложнополучить все “чудеса” СТО такие как замедление времени движущихся часов,сокращение длины и проч. Но на мой взгляд важнее все именно констатациячетырехмерности нашего пространства. Повороты, или так называемые бусты, впространстве Минковского эквивалентны переходу в движущуюся систему отсчета,где уже будут несколько другими временные и пространственные координаты, что иприводит к перечисленным релятивистским эффектам.

Но стоит заметить, это моемнение, хотя в нем я и не до конца тверд, что пространство-время в СТО все жеабсолютно(!), вопреки распространенному обратному мнению. За исключениемчетвертого измерения, оно вполне аналогично ньтоновскому (см. выше), т.е.положение и скорость тел измеряется по отношению к координатной системе, а неотносительно других тел. Определение же этой самой инерциальной системыкоординат умалчивается. Все те же постулаты Ньютона о пространстве можнопереложить и для пространства-времени с небольшими изменениями. Слово же“относительность” в названии теории связанно с неразличимостью физики вразличных, опять таки выделенных априори, инерциальных системах. Вся критикаМаха в такой же степени применима к Эйнштейну как и к Ньютону.

 Конечно, СТО новаяколоссальная веха, в понимании сущности пространства и времени, того чтопространство и время едины, что они есть проявления единой сущности. Однако иСТО не лишена недостатков. На сей день я не вижу ни одной теории, котораяпреодолела трудности предъявленные Махом, и хотя эти проблемы носятпринципиальный характер, но все же являются понятийными, на полезности теории иее адекватности эксперименту они никак не сказываются, и в конечном счете носятсхоластический характер. Теперь перейдем к истории общей теории относительности(ОТО). Несмотря на похожесть названий, это совершенно разные теории. ОТО – этотеории гравитации.

До начала XIX века все теориипространства подразумевали, так или иначе, справедливость в нашем миреевклидовой геометрии. Но математика здесь внесла свои коррективы, что в течениепрошлого века существенно изменила и философские взгляды на категориипространства, а затем и времени. Я говорю об открытии Лобачевского, Бойяи,Римана неевклидовой геометрии, которую сейчас принято называть дифференциальнойили римановой геометрией. Дело в том, что если отбросить одну из аксиомЕвклида, говорящую о том, что параллельные прямые на плоскости не пересекаются,то теория обобщается на неплоские (искривленные) пространства. Первым этозаметил Лобачевский, который первоначально надеялся получить противоречие, что,если отбросить пятую аксиому Евклида о параллельных, чтобы доказать еенеобходимость включение в ряд постулатов.

Риман развил аппараткриволинейной геометрии и задался вопросом о применимости новой геометрии к нашемумиру. Сформулировать проблему можно так: “А действительно ли наше пространствоплоское?”. Если же объединить представление о пространстве Минковского инеевклидову геометрию, то можно прийти к искривленному четырехмерномупространству-времени. Это и есть основа эйнштейновской ОТО. Оказывается, чтоискривление пространства и времени проявляет себя как поле тяготения. Кривизнав свою очередь обусловлена наличием материи, т. е. вещественные тела и энергияявляются вызывают искривление пространсва-времени. Эту связь устанавливаетуравнение Эйнштейна (уравнение гравитационного поля) – центральное в ОТО. Нестану перечислять успехи ОТО и многочисленные предсказания, такие как черныедыры и расширение Вселенной – все это очень интересно, но довольно трудно дляизложения не специалистам, и без привлечения сложнейшей математики.

ОТО коренным образом ломаетнаши представления о геометрии мира. Проблему усмотрел еще сам Риман,процитируем по указанной работе [9]. “… речь идет о распространенииэмпирического опыта за пределы непосредственно наблюдаемого – за пределаминеизмеримо большого или неизмеримо малого: за пределами непосредственнонаблюдаемого метрические отношения становятся все менее точными, чего нельзясказать об отношениях протяженности. <…> Если допустим, что теласуществуют независимо от места их нахождения, так что мера кривизны вездепостоянна, то из астрономических наблюдений следует, что <кривизна> неможет быть отлична от нуля; или если она отлична от нуля, то по меньшей мереможно сказать, что часть Вселенной, доступная телескопам, ничтожна по сравнениюсо сферой той же кривизны. Если же такого рода независимости тел от места ихнахождения не отвечает действительности, то из метрических отношений в большомнельзя заключать о метрических отношениях в бесконечно малом: в таком случае вкаждой точке мера кривизны может <…> иметь какие угодно значения, лишь быв целом кривизна доступных измерению частей пространства заметно не отличалосьот нуля. ”

Единственная разница втрактовки проблемы Риманом и современным понимание состоит в том, что Риманвезде разумеет трехмерное пространство, в то время как ОТО имеет дело вискривленным четырехмерным пространством-временем. Вопрос о геометрии вбесконечно большом приводит нас к современной космологии. Кривизну Вселеннойможно заметить их астрономических наблюдений, однако не так как имел в видуРиман (измерение параллакса далеких звезд). В 1929 году американский астрономустановил, что спектр (цвет) далеких галактик искажен в сторону красного, и чемдальше объект, тем сильнее это красное смещение – это есть следствие расширенияВселенной.

Второе замечание Римана,касающиеся бесконечно малых масштабов, до сих пор актуально, т.к. ОТО нельзяиспользовать для очень малых расстояний и промежутков времени, мы и сейчас незнаем, что же представляет из себя пространство-время в бесконечно малом, т.е.какова же его природа. Почему? И как быть?… Читайте дальше.

5. Последнее время

Мы все ближе к самомуинтересному – последним достижениям науки в деле изучения пространства ивремени. Даже если читатель до сих пор не встретил ничего нового для себя впредыдущем изложении, то, надеюсь, скоро он удивится многим, кажущимися напервый взгляд фантастическим, вещам.

В свете ОТО все что есть вмире – это искривленное пространство-время и материя, наполняющая его идвижущаяся в нем. Как любят говорить физики, есть геометрия и вещество.Эйнштейну всю его жизнь не нравилась такая разнородность. Он хотел всеобъяснить только геометрией – вот уж действительно стройная картина мира. Материальныеявления при этом есть какое-то особое проявление “гравитации” или искривлениянекоего нового рода.

К постановке вопроса огеометризации физики первым пришел на самом деле не Альберт Эйнштейн. Гораздораньше (1876 г.) Клиффорд написал резюме “О пространственной теории материи”.Вот те четыре пункта, которые он установил [12].

“1. … малые участкипространства <…> аналогичны небольшим холмам на поверхности, которая всреднем является плоской, а именно: там не справедливы обычные законыгеометрии.

2. … свойство искривленностиили деформации непрерывно переходят с одного участка пространства на другойнаподобие волны.

3. … такое изменение кривизныи есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движениемматерии, будь она весомая или эфирная.

4. … в физическом мире непроисходит ничего, кроме таких изменений…”

Поражает, ведь это былонаписано более столетия назад, до создания не только квантовой механики, но итеории относительности.

Путь решения этой проблемыгеометризации состоял в добавлении измерений к тем четырем, которые установилатеория относительности, дополнительных, проявление которых заключалось бы вдругих (электрических и магнитных) силах, или еще как-нибудь по-другомувидоизменить ОТО – таково было основное направление течения мысли ученых. В20-30-х годах уходящего века появились различные многомерные теории, включающиекроме гравитации геометрическое толкование электромагнетизма. Одной из самыхпростых подобных теорий была теория Калуцы [11]. Он ввел пятое измерение, темсамым объяснив электромагнетизм, но его модель содержала побочные предсказания,которые не нашли отражения в действительности, и теория в целом оказаласьнежизнеспособной, как и ряд других подобных гипотез того времени. Эйнштейн доконца жизни не оставлял своей программы геометризации физики, но так и не нашелзаветную Единую теорию поля. Трудностей добавило открытие кроме того новогосорта (ядерных) сил, объяснение которых тоже требовалось включить в теорию.

Коль скоро разговор зашел омногомерных теориях, стоит упомянуть, что уже в конце 70-х годов ХХ века физикиснова пришли к экстраизмерениям. Это связанно с теорией струн – одним изподходов на пути объединения всех видов взаимодействий в физике. Выяснилось,что различные виды струн могут существовать только в пространствах определеннойразмерности. Такой критической размерностью для так называемых суперструнявляются 10 измерений. Куда же деть 6 лишних измерений? Ведь мы видим всего 4из них (3 пространственных и одно время). Для этого был придуман принципкомпактификации, согласно которому “лишние” измерения “свернуты” до стольмалого масштаба, что до сих пор не приводили к опытным следствиям.

В то же время Пероуз показал[5], что наличие именно трех пространственных измерений и одного временногонапрямую следует из существования спинорной структуры. Если пространство-времянаделено такой структурой (а оно такой структурой действительно обладает, т. к.существуют частицы со спином ½), то оно, однозначно, будет толькочетырехмерным с тремя пространственными измерениями и единственным временем.Это впечатляет, хотя я здесь и не могу раскрыть достаточно полно этот момент идоступно объяснить, что есть спинорная структура. Непосвященному читателюпридется и так поверить в полученные выводы.

Другой, еще более революционной,теорией, появившейся в ХХ века стала квантовая механика. Хотя она на прямую ине связана с понятиями пространства и времени, используя “готовую” теориюотносительности, квантовая механика тем не менее и здесь внесла новизну. Яговорю о предсказании существования так называемых виртуальных частиц. Дело втом, что даже в пустом пространстве постоянно идет процесс рождения и гибеливиртуальных пар частица-анитичатица, происходит, как говорят, кипение вакуума.Причем это кипение никаким образом нельзя остановить или усилить, его причиналежит именно в квантовой неопределнности, физические поля не могут польностьюобратиться в ноль ни при каких условиях, всегда существуют так называемыенулевые колебания, флуктуации около нуля. Для нас это имеет самое решительноезначение, т.к. пространство, оказывается, всегда чем-то заполненным, не можетбыть в принципе(!) пустого пространства, есть физический вакуум. Нет и“пустого”, “не наполненного” событиями времени, всегда есть процессрождения-гибели виртуальных пар. Вспомним, этим вопросом о существованиипустого пространства и времени, “если ничего не происходит”, как раз изадавался Декарт и другие философы. Так современная физика дали однозначныйответ, на один из древних вопросов.

Но главную проблему длятеории гравитации Эйнштейна квантовая механика создает в другом. Принципнеопределенности Гейзенберга и вероятностную трактовку всех явлений надорасширить на само пространство-время. “Вероятностная геометрия” (хорошо бызвучало) это уже что-то совсем поразительное. Скажу сразу, этот вопрос до сихпор не решен, является одним из центральных в фундаментальной теоретическойфизике начале третьего тысячелетия и носит название – квантовая гравитация (точем и занимается автор реферата).

Кстати, Эйнштейн до концасвоих дней был противником квантовой механики и считал ее лишь временнойтеорией, хорошо описывающей явления микромира на данном этапе, однако, еепринципиальная сторона Альберту не нравилась, “бог не играет в кости”, – любилон говорить, возражая против вероятностной трактовки, существующей в квантовойфизики. Природа квантовых явлений на самом деле, считал Эйнштейн, лежит глубже,есть скрытые параметры, а мы не зная их можем вычислять явления лишь с той илииной вероятностью. Некоторые придерживаются мнения, что суть квантовых явленийв особом поведении пространства-времени на малых масштабах. Но, скажу, этосейчас не является общепризнанной позицией, квантовая механика принятаподавляющим большинством физиков как фундаментальная теория.

Теперь объясню, как квантоваямеханика, “мешает” теории гравитации Эйнштейна. Дело в том, что как и другиефизические поля, гравитационное поле подвержено квантовым флуктуациям, эдакомудрожанию, неопределенности. Именно об этом и говорил в свое втором замечании,которое касается бесконечно малого, Риман (см выше). Риман, конечно, не имел ипредставления о квантовой физике, но он правильно предостерег нас, что нельзяавтоматически считать пространство плоским в малом, если оно плоское намакроскопическом масштабе. Чтобы непосвященный читатель понял, я приведусравнение с морем. Море плоское, однако если вглядеться, то на поверхности водыесть рябь, т.е. в малом поверхность воды отнюдь не плоская.

Размер этой неопределенностипространства-времени крайне мал. Из простых соображений можно указать масштаб,на котором эти флуктуации становятся столь значительными, он называетсяпланковским масшатабом. “Квант” простраственной длины равен приблизительно 10-33см, а “квант” времени 10-43 сек. То, на сколько это ничтожныевеличины, можно понять если размер электрона равен 10-13 см. Т.е.планковская длина на 20 (!) порядков меньше размеров электрона. На таких малыхрасстояниях и промежутках времени физика пространства-времени должна (именнодолжна, а не “может быть”) сильно отличаться от привычной, и ОТО АльбертаЭйнштейна не применима (становится неправильной).

К сожалению на современномэтапе мы можем лишь только догадываться, что делается на таких масштабах. Нанастоящем этапе нет ни последовательной теории, ни возможности проведенияэксперимента в области квантовой гравитации. Хоть я и использовал (замечу вкавычках) термины “квант пространства”, “квант времени” их нельзя пока считатьчем-то дискретным или вкладывать какой-либо другой смысл, т.к., повторю, чтоэто – мы не знаем, а лишь можем оценить по порядку величины планковскиймасштаб.

Все без исключения теории,имеющие дело с пространством-временем, до сих пор считают эти его непрерывныммногообразием, это подразумевал Ньютон, это подразумевал Эйнштейн, это принятосейчас. Однако, если мы откажемся от представления, что пространство-время –непрерывное многообразие без края (по сути это началось с Декарта), а будемсчитать его множеством более общего типа, то, видимо, как отмечает американскийматематик Пенроуз [5], мы придем к новой физике и к новому пониманию природыпространства. Такие попытки делались (некоторые из них описывает Блохинцев[12]), но они настолько слабы, что даже назвать их гипотезами довольно трудно.Это и понятно, ведь помыслить пространство не непрерывным, или каким-то, можетбыть, еще более странным, и развить соответствующую теорию не удается пока даженам, людям, уже привыкшим к революциям в мировоззрении.

6. Не конец

Мне кажется, я достаточно полно осветил, основныепредставления о пространстве и времени, существовавшие на протяжении веков.Основной прогресс, однако, в понимании сути был достигнут лишь в уходящем векев связи с бурными изменениями в физике. Хотя, говорить, что стала окончательноясна суть, конечно рано. Сейчас судьба вопроса всецело в руках физики, как идолжно быть, и, надеюсь, скоро, с созданием теории квантовой гравитации, мыстанем обладателями нового, еще более полного и правильного, понимания того,что же такое пространство и время. Поэтому ставлю многоточие…

www.ronl.ru

Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии - Реферат

Реферат

по дисциплине: Философия

на тему:

Время и пространство в философии.

Оглавление

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ – ВРЕМЕНИ ДО НАЧАЛА 20-ГО ВЕКА. 4

Понятие пространства и времени в античной философии. 4

Развитие представлений о пространстве и времени в классической физике. 5

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ. 8

Специальная теория относительности. 8

Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии. 14

Пространство и время на уровне микромира. 18

18

ВВЕДЕНИЕ

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 (III в. 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 XX веке, 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”.

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.” 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.”

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). В последствии 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”. 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.

refdb.ru

Доклад - Пространство и время

(реферативное исследование)

1. Начало

Решение написать реферат, вкотором бы подробно анализировались категории пространства и времени, связано стем, что это действительно мне интересно. Этот интерес давний и искренний.Подтверждением тому моя научная работа в области теоретической физики – язанимаюсь квантовыми черными дырами. Для непосвященного, возможно, не ясно, какэто касается пространства и времени, но, надеюсь, в этой работе я смогуобъяснить это. Конечно, есть риск превратить реферат по философии внаучно-популярную статью по физике, но, коль скоро мы заговорили о пространствеи времени, без экскурса в современную физику наше обсуждение будет существеннонеполным.

Кроме того, ни один изкрупных философов от древности до ХХ века не обходил вниманием понятияпространства и времени, поэтому недостатка в реферируемом нет, и этонемаловажно. Вопрос, что же есть пространство и время, тем не менее, каккажется мне, еще далек от своего полного разрешения. Физика уходящего столетиязаставила несколько раз поменять взгляды на столь фундаментальные понятия и выявиланесостоятельность большинства философских концепций. Наверное, сейчас редкийфилософ рискнет обсуждать этот вопрос, отдав его на откуп физикам, что еще разподтверждает мое право не только цитировать классиков, но и принять посильноеучастие в дискуссии. Здесь можно привести шутливое высказывание замечательногоамериканского физика-теоретика Ричарда Фейнмана: “… когда будут открыты всефизические законы, придет время философов, которые до этого стояли рядом иподавали глупые советы” [1]. Ввиду отсутствия ясного взгляда на пространство ивремя и даже, быть может, их четкого определения, нам остается рассмотретьисторию вопроса, которая открывается греческой философией и проходитпрактически через все основные философские учения. В реферате сознательно обойдемслишком экзотические концепции, такие как теория Бергсона, и это вовсе незначит, что они были совсем упущены из вида. Дело в том, что их ценность длясовременности и будущего науки представляется сомнительной.

Все многообразие взглядовможно разделить на две основные категории. 1) пространство и время субъективны;2) они объективны. Пожалуй, нумерацию лучше поменять, т. к. я являюсьпоследовательным сторонником первой точки зрения. В разные времена люди ставилиразные вопросы касательно природы и свойств пространства и времени, но один изних, по крайней мере, прослеживается издревле: существует ли “пустоепространство”? Позже к нему примкнул другой: можно ли говорить о времени, если“ничего не происходит”. Не буду интриговать читателя и скажу, что на этивопросы в середине ХХ века, наконец-то, получен строгий однозначный ответ –нет. А вот почему? С объяснением придется подождать. Необходимые комментарии ипояснения из области физики будет даны по ходу обсуждения.

Действительно, категориипространства и времени являются, пожалую, одними из самых сложных в философии.Человек желает раскрыть истинный смысл и природу вещей и явлений, егоокружающих. Если с объяснением материальных объектов (назовем их так) делообстоит более менее неплохо, то с пространством и временем вопрос темный. Какмне представляется, причина состоит в том, что большинство материальныхобъектов человек может “повертеть в руках”, рассмотреть их,поэкспериментировать с ними и, поразмыслив, составить представление об ихприроде. Ставить опыты со временем и пространством человечество еще ненаучилось, и на долю ученых остается лишь их мысленное созерцание. Мы до сихпор подобны греческим философам, которые строили свои метафизические теории безактивного вмешательства в природу, ограничиваясь случайными, и, в общем-то,неупорядоченными наблюдениями. Понятно, что при этом трудно рассчитывать наглубокое и правильное понимание вопроса. Видимо придется ждать нового Галилея,который сможет ставить опыты со временем и пространством. Если верить обещаниямамериканских физиков и инженеров, то ждать осталось недолго. В скором временимы станем свидетелями первого в истории человечества эксперимента спространством и временем – возможным наблюдением гравитационных волн в рамкахамериканского проекта LIGO. Первая установка требуемой точности вступит встрой, как обещано, в 2001 году в Калифорнии (США).

2. Греки

Итак, начнем с греков.Большинство из философов того далекого прошлого не интересовались пространствомв чистом виде, обсуждение подобных проблем носило вспомогательный характер прианализе покоя и движения и вообще в метафизике. А это в свою очередь для грековнеизбежно сводилось к вопросу о существовании пустоты или, мы бы сказали,“пустого пространства”, не заполненного никакими телами. Причем люди уже тогдахорошо понимали, что воздух не есть настоящая пустота – это тоже тело (среда).Доводы сторонников существования пустоты в природе сводились к аргументу, чтоесли бы в мире все места были заполнены, то тела не смогли бы двигаться, и этопротиворечит истинному положению дел. Этот довод был очень сильным и греки, вобщем-то, ничего не смогли противопоставить ему по существу. Вывод, сделанныйпоследователями Парменида, был неожиданным и парадоксальным, – движения нет. Небудем обсуждать мировоззрение и философию, следующее отсюда, сосредоточимся насамом утверждении. “Конечно, можно возразить, и, вероятно, это будетосновательно, что движение никогда не может возникнуть в заполненномпространстве, но нельзя обоснованно утверждать, что оно там вовсе не можетпроисходить” [2].

Очень замечательны в этомотношении апории Зенона, ученика Парменида. Мы вполне можем утверждать, что этипарадоксы касаются непосредственно свойств пространства и времени. Онинастолько широко известны, что приводить их здесь смыслы не имеет, перейдемсразу же к анализу. Зенон старался показать при их помощи парадоксальностьдвижения. Но для нас очень важно то, что пространственный отрезок Зенон считалвозможным делить до бесконечности также как и рассматривать бесконечно близкиемоменты времени. Таким образом, можно утверждать, что в античности пространствои время мыслились непрерывными, это один из важнейших для нас моментов,запомним это.

Современники Зенона былинастолько поражены апориями, что конечно же старались найти какие-тообъяснения. Здесь я упомяну интересное разрешение этих парадоксов, данноеДемокритом. Вообще последовательная позиция этого атомиста заслуживаетуважения, ведь он считал “зернистым” не только вещество, но и время, ипространством. Довод Демокрита состоял в том, что пространство дискретно, и длятела возможно лишь определенное счетное множество положений. Поясняя эту мысль,скажу, что пространство представлялось ему как бы разлинованным на клеточки, иатомы могут находиться только в определенных клетках, а с одного место всоседние перемещаться скачкообразно. Долгое время казавшаяся оригинальной, ноне имеющей никакого отношения к действительности, эта точка зрения вновьпривлекла к себе внимание лишь сейчас в связи с гипотезами относительно теорииквантовой гравитации. Недавно некоторые авторы, к которым относится и известныйсоветский физик Блохинцев [4], делали попытки проанализировать модельдискретного пространства-времени. Квант пространства при этом равнялсяневообразимо малой величине 10-33 см, а квант времени 10-43сек. Хотя и нельзя сказать, что такой подход сейчас считается перспективным, ностоль неожиданные параллели между античными идеями и современными физическимипарадигмами весьма замечательны. Во избежание недоразумений поясню, что сейчасуже речь, конечно, не идет о преодолении классических апорий, причина введениядискретного пространства состоит в другом.

Позже греки отчетливоразделяли материю и пространство, как вместилище всех вещей, наиболее четкотакая позиция сформулирована у Аристотеля: “Утверждающие существование пустотыназывают ее местом; в этом смысле пустота была бы местом, лишенным тела” [3].Кстати, у Аристотеля движение возможно только благодаря веществу. Брошенноетело высвобождает позади себя место, куда устремляется воздух, подталкивая теловперед. Далее следует развитие этой мысли, что в более разреженной средесопротивление движению слабее и тело движется быстрее. Так в пустоте движениестало бы настолько быстрым, что тело приобрело свойство вездесущности. Этот выводговорит о весьма оригинальном понимании Аристотелем пространства и его свойств.Несмотря на кажутся наивность такой точки зрения, здесь содержится весьмаглубокое умозаключение, что в пустом пространстве все положения (точки)равноправны, хотя стагирит, видимо, не понимает это утверждения в подобномсвете. Эти идеи Аристотеля представляются мне этаким античным аналогом теоремыЭммы Нетер, сформулированной в прошлом веке.

Говоря об античном воззрениина пространство и время, никак нельзя обойти геометрию Евклида. Это, наверное,первая строгая и последовательная научная теория, построенная индуктивнымспособом на основе аксиом, которых в элементарной геометрии пять. Эти постулатыказались совершенно естественными и неколебимыми для математиков вплоть до Лобачевского,Бойяи и Римана (см. ниже). Аксиомы Евклида произошли исключительно из опыта,т.е. согласно Канту представляют собой синтетические высказывания, однако, тотже немецкий философ замечает, что даны они человеку априори. Что важно для насв античной геометрии. Наверное, стоит отметить то, что люди научилисьтеоретически обращаться с идеальными объектами на плоскости – точками, прямымии т. д., греки смогли абстрагироваться от реальных объектов и рассматриватьотдельно форму. Можно сказать, что во времена Евклида, появились абстрактныепредставления о пространстве. Это знаменует качественной скачек в сознании, спространством, оказывается, можно оперировать, отвлекаясь от наполняющего еговещества.

3. От Исаака до Альберта

Вкратце познакомившись с мнениемантичных философов относительно пространства и времени, так как их точка зренияпредставляет скорее исторический интерес, двинемся дальше. Примем к сведению ихпорой оригинальные теории, но не станем спорить с классиками. Гораздо важнеедля нас Декарт, “… доводы которого точно совпадают с положениями раннихгреческих философов, сказал, что протяженность является сущностью материи, а,следовательно, материя имеется повсюду. У него протяженность – прилагательное,а не существительное, ее существительное – материя, и без своегосуществительного протяженность не может существовать. Для него пустоепространство также абсурдно, как счастье без чувствующего существа, котороесчастливо” [4]. Можно констатировать, что для Декарта пространство, коль скороони есть, заполнено материей, средой. И такую особенную среду Декарт изобрел,назвав ее “тонкой материей”. Для физиков второй половину прошлого века такой“тонкой материей” был эфир – некая среда, наполняющая пространство,относительно которой распространяются электромагнитные волны. Видимо,использовав такую аналогию, я не сильно искажаю понятие “тонкой материи”Декарта (за исключением, естественно, всего сказанного об колебанияхэлектромагнитного поля). Пространство надо было заполнить такой протяженной материей,причем эта материя практически не проявляется в нашем мире. Мне представляется,что тогда “токая материя” фактически ничем не отличается от пустоты.

Декарт, похоже, все же оченьхотел исследовать пространство как таковое без вещества. Не удивительно, чтопрогресс в этой области был достигнут рационалистом, ведь возможностьисследования пространства эмпирическими методами представляется на тот моментнесколько сомнительной. Декарту принадлежит изобретение координатной плоскости.Это уже следующая степень абстракции после Евклида. За счет введения системыкоординат удалось свести геометрию к чисто аналитической дисциплине, не говоряо том, что сам метод координат играет решающую роль в современнойрелятивистской физике. Декартовы координаты, будучи определены при помощитройки действительных чисел, совершенно четко показывают непрерывностьпространства и его трехмерность. Выражаясь языком современной математики, послеДекарта пространство стало многообразием, т.е. таким множеством элементов(точек), которое можно параметризовать при помощи набора действительных чисел.Утверждение о том, что пространство есть многообразие, является важнейшимположением современной физики.

Следующий принципиальный шагбыл сделан с появлением механики Исаака Ньютона. Чтобы сформулировать законыдинамики Ньютону пришлось обратиться к принципиальному вопросу, что естьпространство и время? Ему было необходимо просто-напросто дать определение этимпонятиям, раз уж он строил аксиоматическую теорию наподобие евклидовойгеометрии. На этом моменте следует остановиться подробнее, потому что, мнекажется, сами того не осознавая, большинство наших современников, изучавших вшколе физику, но не занимающиеся ею профессионально, придерживаются именноньютоновского взгляда на пространство и время. В нашей критике Исаака Ньютонабудем следовать Эрнсту Маху [6], давшему, на мой взгляд, самую основательнуюоценку трудов великого англичанина.

Обратимся к первоисточнику[8]. “В изложенном выше имелось в виду объяснить, в каком смысле употребляются вдальнейшем менее известные названия. Время, пространство, место и движениесоставляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятияобыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюдапроисходят некоторые неправильные сужения, для устранения которых необходимовышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные икажущиеся, математические и обыденные.

Абсолютное. Истинное иматематическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякогоотношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называетсядлительностью.

Относительное, кажущееся илиобыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами,внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности,употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени,как-то: час, день, месяц, год…”. Этим определением Ньютон абсолютизирует время,как текущее вне зависимости от любых реальных процессов в природе. Далее в этомже тексте Ньютон говорит, что может не существовать точного стандарта временина основе физических или астрономических явлений, из-за их несовершенства (всмысле точной неповторимости). “Создается впечатление, – пишет Мах [6], – что …Ньютон находится еще под влиянием средневековой философии, как будто бы онизменил своему намерению исследовать только фактическое”, время становитсячем-то абстрактным, независящем от всякого измерения.

Что же касается пространства,то Ньютон пишет: “Абсолютное пространство по самой своей сущности,безотносительно к чему бы то ни было внешнему, останется всегда одинаковым инеподвижным. Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижнаячасть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительнонекоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространствонеподвижное…”. Здесь представляется излишним комментировать это положениеНьютона, оно весьма аналогично его суждению о времени. Важно, что в “Началах …”различается абсолютное и относительное движения, причем это обсуждается авторомочень тщательно.

Наверное Ньютон находился подвлиянием Декарта, но выкинув “тонкую материю”, оставляет для своей механикитолько абстрактную жесткую и неподвижную систему координат, считая однако еевполне реальной сущностью. Разделяя абсолютное и относительное движение, Ньютондаже сделал шаг назад по сравнению с Декартом, который еще раньше вполнеправильно понимал относительность всякого движения. Возможно философскиемоменты довольно непоследовательны и искусственны, но не будем забывать, чтозадача Ньютона была совсем в другом – научиться описывать динамику тел. Успехмеханики был столь велик, что “судить победителя” научное сообщество взялосьтолько два столетия спустя, когда началось внимательное осмысление фундаментальныхположений теории Исаака Ньютона такими учеными как Ланге и Мах. Их идеи логичнобудет поместить здесь, т.к. во многом они вытекают из критики Ньютона.

Мах придерживался той точкизрения, что нелепо говорить о движении тела безотносительно других тел, измеряядвижение лишь в абсолютном пространстве. Весь наш опыт ведь сводится кизмерению лишь расстояний между отдельными предметами. Мах приводит парадокс.Предположим, что тело помещено в абсолютно пустое пространство, которое лишенодаже сильно удаленных звезд, тогда нельзя понять находится ли наше тело в покоеили к примеру вращается вокруг собственной оси кроме, как измеривцентростремительное ускорение. Такой вывод строго следует из представлений обабсолютном пространстве у Ньютона, и можно выделить “абсолютно невращающуюся”систему отсчета в пустоте, что Мах как позицивист принять не мог.

Выход, который предлагает Махследующий. Давайте сформулируем закон инерции (который собственно и определяет,что есть инерциальная система отсчета) иначе. “Вместо того, что относитьдвижущееся тело к пространству (к какой-нибудь инерциальной системе), будемрассматривать непосредственно его отношение к телам мира, посредством которыхтолько и можно определить систему координат”. Очень далекие друг от друга теладвижутся с постоянными по величине и направлению (относительными) скоростями.Близкие тела, находящиеся “в более сложном отношении” или, мы бы сказали,взаимодействующие друг с другом и движутся уже с непостоянной относительнойскоростью. Теперь “вместо того, чтобы говорить: расстояние и скорость массы впространстве остаются постоянными, можно употреблять выражение, что среднееускорение массы <…> относительно <всех других масс …> равно нулю”[6]. При этом ненулевое ускорение относительно ближайших тел будетскомпенсировано большим вкладом массивных удаленных объектов (звезд), которые сисследуемым телом не взаимодействуют. Поясним, что наше тело на самом делесвободно, а ускорение относительно соседей может быть из-за того эти самыесоседние тела могут быть по каким-то причинам подвержены действию сил, и, темсамым, ускорены они. Удаленные массы во Вселенной “задают” инереицальн(ую/ые)системы отсчета.

Такая трактовка законаинерции Махом по истине относительная. Однако подразумевает некоторую космологию,хотя и не важно какую именно. На это Эрнст Мах отвечает, что быть может и несуществует локальных законов типа ньтоновских, и, чтобы описывать даже движениетел в небольшом объеме, “невозможно отвлечься от остального мира.” Он далеезамечает [6], “Природа не начинает с элементов, как вынуждены начинать с нихмы. Впрочем, для нас счастье, если нам удается на некоторое время отвести взорот огромного целого и сосредоточиться на его отдельных частях.” Таким образомМах исправляет идейные основания классической механики, констатируя, что вобыденности мы можем пользоваться законами Ньютона, понимая однако по-другому,что есть инерциальная система отсчета.

Оставим пока Маха и вернемсячуть назад во времени. (Мне очень трудно придерживаться хронологии и в то жевремя не разрывать логически изложение эволюции той или иной концепции.) Чтобызавершить разговор о пространстве и времени, как его представляли люди началаXIX столетия, надо обсудить некоторые субъективистские парадигмы. Наверное, вовремена Юма возникло также новое причинное понимание времени, которое,упрощенно говоря, состоит в том, что время воспринимает нами как “параметр”, покоторому упорядочиваются причина и производимое ею следствие. Вообще в этовремя мы видим, как наряду с вопросом о времени появляется вопрос причинности,но это уже лежит за пределами определенного мной реферата.

Следующий на ком мы остановимсвой пристальный взгляд – Лейбниц. Но тут мы сталкиваемся с новой субъективнойтеорией пространства, которая нашла свое завершение в философии ИммануилаКанта. Основываясь на своем учении о монадах. Лейбниц считает, что“пространства – как оно является чувствам, и как его рассматривает физика, – несуществует, но оно имеет реального двойника, а именно расположение монад втрехмерном порядке соответственно точки зрения, с которой они отражают мир.Каждая монада видит мир в определенной перспективе присущей только ей; в этомсмысле мы можем несколько произвольно говорить о монадах как имеющихпространственное положение”. Я лично не могу принять такую позицию, но всю своюкритику я обрушу на Лейбница и Канта вместе, а пока надо прейти к теориипространства и времени последнего, что дать пищу нашему обсуждению.

Кант утверждает, что нашиощущения имеют причины, которые он называет “вещами в себе”. Наше восприятие,называемое “феноменом”, состоит из “ощущения” (объективная составляющая) и“формы” явления. Форма не есть само ощущение, это субъективный аппарат,устанавливающий определенные отношения явлений и их порядок. Форма не зависитот среды и априорна, она всегда присутствует в нас и не связана с опытом. У“чистой формы” есть две составляющие – пространство и время. При этомпространство “ответственно” за внешние ощущения, а время – за внутренние. Дляобоснования своей позиции Кант выдвигает несколько доказательств, чтопространство и время являются априорными формами.

“Пространство не естьэмпирическое понятие, отвлекаемое от внешнего опыта, В самом деле,представление пространства должно уже лежать в основе для того, чтобы известныеощущения были относимы к чему-то вне меня (то есть к чему-то в другом местепространства, чем то, где я нахожусь), а также для того, чтобы я могпредставлять их как находящиеся вне друг друга, следовательно, не только какразличные, но и как находящиеся в различных местах”.

“Пространство есть недискурсивное, или, как говорят, общее, понятие об отношениях вещей вообще, ачисто наглядное представление. В самом деле, можно представить себе только одноединственное пространство, и если говорят о многих пространствах, то под нимиподразумевают лишь части одного и того же единого пространства, к тому же этичасти не могут предшествовать единому всеохватывающему пространству как егосоставные элементы (из которых возможно было бы сложение), но могут бытьмыслимы только как находящиеся в нем. Пространство существенно едино;многообразное в нем, а, следовательно, также общее понятие о пространствахвообще основывается исключительно на ограничениях”.

Другие аргументы Кантасостоят в том, что поскольку мы не можем вообразить, что не существуетпространство, то это понятие априорное, кроме того пространство – бесконечноданная величина. Последние заключения не состоятельны, т.к. являются сугубосубъективными, и другой человек может воображать все совершенно иначе.Серьезный аргумент не может быть основан на том, что можно или нельзяпредставить. Против утверждения из первой цитаты можно сказать, что разпространственное расположение вещей завит от субъекта, расставляющего их (чтобырасширить нашу критику и на Лейбница тоже вместо слова “субъект” можно ставитьслово “монада”). Но нельзя же игнорировать физические закономерности, которыеопределяют движение тел в пространстве. Получается, по совпадению для разныхсубъектов эти законы одинаковы, в то время, как располагать предметы они могутпо соей воле.

В принципе выводы, которыеделает Кант, еще можно было стерпеть в конце XVIII века во время торжестваньютоновской механики, но с появлением общей теории относительности онистановятся с очевидностью ошибочными. Поясню свою мысль. Дело в том, что вэйнштейновской теории гравитации искривление самого пространства ведет к вполнеопределенным регистрируемым эффектам. Если стоять на позиции Канта, тополучатся, что мое субъективное восприятие мира (“вид” пространства) приводит кобъективным ощущениям (физическим явлениям).

Второе доказательствоИммануила Канта, касающееся единства пространства и невозможности воображения“других” пространств”, с релятивистской точки зрения опровергается тем, чтопространство или пространства не являются субстанциями (так считает БертранРассел). Я же могу добавить, что если понимать “пространство” в математическомсмысле слова, т.е. допустить существование пространств различных размерностей,сигнатур и топологий, то они никак не могут являться частями одного (плоскоготрехмерного) пространства. Мне кажет, что здесь я достаточно показалнесостоятельность теории Канта с точки зрения современной науки, поэтому небудем углублять критику, а лучше обратимся к более важным и реалистичнымпарадигмам, тем более, что нас ждет новая эпоха – время релятивизма.

4. Относительноотносительности

Сложно оценить насколькогромадный вклад в учение о пространстве внес немецкий математик Риман. Егомысли были столь прогрессивны, что полностью не исчерпаны даже в современнойфизике. Эйнштейн многое взял у Римана, от части развенчивая первого, можно дажесказать, что идеология ОТО заложена еще в работах Римана середины прошлого(позапрошлого) века. Взгляды Римана наиболее компактно изложены в лекции [9],прочитанной 10 июня 1854 года (опубликовано в 1868 г.

Риман вводит понятиеn-протяженной величины, что на более понятном нам языке означает многомерноепространство. Естественно представить его можно только аналитически, а ни какне вообразить себе его наглядно. Математика того времени, как раз начала ужеоперировать со столь абстрактными объектами, не даваемыми нам повседневнымопытом. Предвидя возможные возражения и непонимание у современников, Римандолго в своей работе разъясняет понятие многомерности. Сейчас множественностьпространственно-временных измерений встречается в физике довольно часто, нотогда такое обобщение многим казалось необоснованным. Некоторые предостережениядавали позитивисты того времени, в том числе и Мах [7], но, впрочем, ониразделяли позицию Римана. Возник новый вопрос: “Почему пространство трехмерно?”

Первым применениеммногомерности можно назвать четырехмерное пространство Минковского, где нарядус ординарными пространственными измерениями фигурирует время. Не вдаваясь вматематические пояснения, скажу, что, однако, у нового измерения есть некоторыезамечательные особенности, и как следствие метрика такого пространстваоказывается индефинитной. Вообще говоря мало ввести еще одно число, какизмерение, например температуру данной точки. Новая координата должна быть“однородной” с остальными, должны существовать преобразования “связывающие”друг с другом различные измерения (в случае с температурой их нет). Длячетырехмерного пространства-времени Минковского такими преобразованиямиявляются преобразования Лоренца, имеющими, как показал Эйнштейн, физическийсмысл.

Вот мы плавно и перешли кобсуждению специальной теории относительности (СТО). Эйнштейн ввел постулат оразличимости физических процессов и об одинаковости скорости света в разныхинерциальных системах отсчета. Далее математическими выкладками не сложнополучить все “чудеса” СТО такие как замедление времени движущихся часов,сокращение длины и проч. Но на мой взгляд важнее все именно констатациячетырехмерности нашего пространства. Повороты, или так называемые бусты, впространстве Минковского эквивалентны переходу в движущуюся систему отсчета,где уже будут несколько другими временные и пространственные координаты, что иприводит к перечисленным релятивистским эффектам.

Но стоит заметить, это моемнение, хотя в нем я и не до конца тверд, что пространство-время в СТО все жеабсолютно(!), вопреки распространенному обратному мнению. За исключениемчетвертого измерения, оно вполне аналогично ньтоновскому (см. выше), т.е.положение и скорость тел измеряется по отношению к координатной системе, а неотносительно других тел. Определение же этой самой инерциальной системыкоординат умалчивается. Все те же постулаты Ньютона о пространстве можнопереложить и для пространства-времени с небольшими изменениями. Слово же“относительность” в названии теории связанно с неразличимостью физики вразличных, опять таки выделенных априори, инерциальных системах. Вся критикаМаха в такой же степени применима к Эйнштейну как и к Ньютону.

 Конечно, СТО новаяколоссальная веха, в понимании сущности пространства и времени, того чтопространство и время едины, что они есть проявления единой сущности. Однако иСТО не лишена недостатков. На сей день я не вижу ни одной теории, котораяпреодолела трудности предъявленные Махом, и хотя эти проблемы носятпринципиальный характер, но все же являются понятийными, на полезности теории иее адекватности эксперименту они никак не сказываются, и в конечном счете носятсхоластический характер. Теперь перейдем к истории общей теории относительности(ОТО). Несмотря на похожесть названий, это совершенно разные теории. ОТО – этотеории гравитации.

До начала XIX века все теориипространства подразумевали, так или иначе, справедливость в нашем миреевклидовой геометрии. Но математика здесь внесла свои коррективы, что в течениепрошлого века существенно изменила и философские взгляды на категориипространства, а затем и времени. Я говорю об открытии Лобачевского, Бойяи,Римана неевклидовой геометрии, которую сейчас принято называть дифференциальнойили римановой геометрией. Дело в том, что если отбросить одну из аксиомЕвклида, говорящую о том, что параллельные прямые на плоскости не пересекаются,то теория обобщается на неплоские (искривленные) пространства. Первым этозаметил Лобачевский, который первоначально надеялся получить противоречие, что,если отбросить пятую аксиому Евклида о параллельных, чтобы доказать еенеобходимость включение в ряд постулатов.

Риман развил аппараткриволинейной геометрии и задался вопросом о применимости новой геометрии к нашемумиру. Сформулировать проблему можно так: “А действительно ли наше пространствоплоское?”. Если же объединить представление о пространстве Минковского инеевклидову геометрию, то можно прийти к искривленному четырехмерномупространству-времени. Это и есть основа эйнштейновской ОТО. Оказывается, чтоискривление пространства и времени проявляет себя как поле тяготения. Кривизнав свою очередь обусловлена наличием материи, т. е. вещественные тела и энергияявляются вызывают искривление пространсва-времени. Эту связь устанавливаетуравнение Эйнштейна (уравнение гравитационного поля) – центральное в ОТО. Нестану перечислять успехи ОТО и многочисленные предсказания, такие как черныедыры и расширение Вселенной – все это очень интересно, но довольно трудно дляизложения не специалистам, и без привлечения сложнейшей математики.

ОТО коренным образом ломаетнаши представления о геометрии мира. Проблему усмотрел еще сам Риман,процитируем по указанной работе [9]. “… речь идет о распространенииэмпирического опыта за пределы непосредственно наблюдаемого – за пределаминеизмеримо большого или неизмеримо малого: за пределами непосредственнонаблюдаемого метрические отношения становятся все менее точными, чего нельзясказать об отношениях протяженности. <…> Если допустим, что теласуществуют независимо от места их нахождения, так что мера кривизны вездепостоянна, то из астрономических наблюдений следует, что <кривизна> неможет быть отлична от нуля; или если она отлична от нуля, то по меньшей мереможно сказать, что часть Вселенной, доступная телескопам, ничтожна по сравнениюсо сферой той же кривизны. Если же такого рода независимости тел от места ихнахождения не отвечает действительности, то из метрических отношений в большомнельзя заключать о метрических отношениях в бесконечно малом: в таком случае вкаждой точке мера кривизны может <…> иметь какие угодно значения, лишь быв целом кривизна доступных измерению частей пространства заметно не отличалосьот нуля. ”

Единственная разница втрактовки проблемы Риманом и современным понимание состоит в том, что Риманвезде разумеет трехмерное пространство, в то время как ОТО имеет дело вискривленным четырехмерным пространством-временем. Вопрос о геометрии вбесконечно большом приводит нас к современной космологии. Кривизну Вселеннойможно заметить их астрономических наблюдений, однако не так как имел в видуРиман (измерение параллакса далеких звезд). В 1929 году американский астрономустановил, что спектр (цвет) далеких галактик искажен в сторону красного, и чемдальше объект, тем сильнее это красное смещение – это есть следствие расширенияВселенной.

Второе замечание Римана,касающиеся бесконечно малых масштабов, до сих пор актуально, т.к. ОТО нельзяиспользовать для очень малых расстояний и промежутков времени, мы и сейчас незнаем, что же представляет из себя пространство-время в бесконечно малом, т.е.какова же его природа. Почему? И как быть?… Читайте дальше.

5. Последнее время

Мы все ближе к самомуинтересному – последним достижениям науки в деле изучения пространства ивремени. Даже если читатель до сих пор не встретил ничего нового для себя впредыдущем изложении, то, надеюсь, скоро он удивится многим, кажущимися напервый взгляд фантастическим, вещам.

В свете ОТО все что есть вмире – это искривленное пространство-время и материя, наполняющая его идвижущаяся в нем. Как любят говорить физики, есть геометрия и вещество.Эйнштейну всю его жизнь не нравилась такая разнородность. Он хотел всеобъяснить только геометрией – вот уж действительно стройная картина мира. Материальныеявления при этом есть какое-то особое проявление “гравитации” или искривлениянекоего нового рода.

К постановке вопроса огеометризации физики первым пришел на самом деле не Альберт Эйнштейн. Гораздораньше (1876 г.) Клиффорд написал резюме “О пространственной теории материи”.Вот те четыре пункта, которые он установил [12].

“1. … малые участкипространства <…> аналогичны небольшим холмам на поверхности, которая всреднем является плоской, а именно: там не справедливы обычные законыгеометрии.

2. … свойство искривленностиили деформации непрерывно переходят с одного участка пространства на другойнаподобие волны.

3. … такое изменение кривизныи есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движениемматерии, будь она весомая или эфирная.

4. … в физическом мире непроисходит ничего, кроме таких изменений…”

Поражает, ведь это былонаписано более столетия назад, до создания не только квантовой механики, но итеории относительности.

Путь решения этой проблемыгеометризации состоял в добавлении измерений к тем четырем, которые установилатеория относительности, дополнительных, проявление которых заключалось бы вдругих (электрических и магнитных) силах, или еще как-нибудь по-другомувидоизменить ОТО – таково было основное направление течения мысли ученых. В20-30-х годах уходящего века появились различные многомерные теории, включающиекроме гравитации геометрическое толкование электромагнетизма. Одной из самыхпростых подобных теорий была теория Калуцы [11]. Он ввел пятое измерение, темсамым объяснив электромагнетизм, но его модель содержала побочные предсказания,которые не нашли отражения в действительности, и теория в целом оказаласьнежизнеспособной, как и ряд других подобных гипотез того времени. Эйнштейн доконца жизни не оставлял своей программы геометризации физики, но так и не нашелзаветную Единую теорию поля. Трудностей добавило открытие кроме того новогосорта (ядерных) сил, объяснение которых тоже требовалось включить в теорию.

Коль скоро разговор зашел омногомерных теориях, стоит упомянуть, что уже в конце 70-х годов ХХ века физикиснова пришли к экстраизмерениям. Это связанно с теорией струн – одним изподходов на пути объединения всех видов взаимодействий в физике. Выяснилось,что различные виды струн могут существовать только в пространствах определеннойразмерности. Такой критической размерностью для так называемых суперструнявляются 10 измерений. Куда же деть 6 лишних измерений? Ведь мы видим всего 4из них (3 пространственных и одно время). Для этого был придуман принципкомпактификации, согласно которому “лишние” измерения “свернуты” до стольмалого масштаба, что до сих пор не приводили к опытным следствиям.

В то же время Пероуз показал[5], что наличие именно трех пространственных измерений и одного временногонапрямую следует из существования спинорной структуры. Если пространство-времянаделено такой структурой (а оно такой структурой действительно обладает, т. к.существуют частицы со спином ½), то оно, однозначно, будет толькочетырехмерным с тремя пространственными измерениями и единственным временем.Это впечатляет, хотя я здесь и не могу раскрыть достаточно полно этот момент идоступно объяснить, что есть спинорная структура. Непосвященному читателюпридется и так поверить в полученные выводы.

Другой, еще более революционной,теорией, появившейся в ХХ века стала квантовая механика. Хотя она на прямую ине связана с понятиями пространства и времени, используя “готовую” теориюотносительности, квантовая механика тем не менее и здесь внесла новизну. Яговорю о предсказании существования так называемых виртуальных частиц. Дело втом, что даже в пустом пространстве постоянно идет процесс рождения и гибеливиртуальных пар частица-анитичатица, происходит, как говорят, кипение вакуума.Причем это кипение никаким образом нельзя остановить или усилить, его причиналежит именно в квантовой неопределнности, физические поля не могут польностьюобратиться в ноль ни при каких условиях, всегда существуют так называемыенулевые колебания, флуктуации около нуля. Для нас это имеет самое решительноезначение, т.к. пространство, оказывается, всегда чем-то заполненным, не можетбыть в принципе(!) пустого пространства, есть физический вакуум. Нет и“пустого”, “не наполненного” событиями времени, всегда есть процессрождения-гибели виртуальных пар. Вспомним, этим вопросом о существованиипустого пространства и времени, “если ничего не происходит”, как раз изадавался Декарт и другие философы. Так современная физика дали однозначныйответ, на один из древних вопросов.

Но главную проблему длятеории гравитации Эйнштейна квантовая механика создает в другом. Принципнеопределенности Гейзенберга и вероятностную трактовку всех явлений надорасширить на само пространство-время. “Вероятностная геометрия” (хорошо бызвучало) это уже что-то совсем поразительное. Скажу сразу, этот вопрос до сихпор не решен, является одним из центральных в фундаментальной теоретическойфизике начале третьего тысячелетия и носит название – квантовая гравитация (точем и занимается автор реферата).

Кстати, Эйнштейн до концасвоих дней был противником квантовой механики и считал ее лишь временнойтеорией, хорошо описывающей явления микромира на данном этапе, однако, еепринципиальная сторона Альберту не нравилась, “бог не играет в кости”, – любилон говорить, возражая против вероятностной трактовки, существующей в квантовойфизики. Природа квантовых явлений на самом деле, считал Эйнштейн, лежит глубже,есть скрытые параметры, а мы не зная их можем вычислять явления лишь с той илииной вероятностью. Некоторые придерживаются мнения, что суть квантовых явленийв особом поведении пространства-времени на малых масштабах. Но, скажу, этосейчас не является общепризнанной позицией, квантовая механика принятаподавляющим большинством физиков как фундаментальная теория.

Теперь объясню, как квантоваямеханика, “мешает” теории гравитации Эйнштейна. Дело в том, что как и другиефизические поля, гравитационное поле подвержено квантовым флуктуациям, эдакомудрожанию, неопределенности. Именно об этом и говорил в свое втором замечании,которое касается бесконечно малого, Риман (см выше). Риман, конечно, не имел ипредставления о квантовой физике, но он правильно предостерег нас, что нельзяавтоматически считать пространство плоским в малом, если оно плоское намакроскопическом масштабе. Чтобы непосвященный читатель понял, я приведусравнение с морем. Море плоское, однако если вглядеться, то на поверхности водыесть рябь, т.е. в малом поверхность воды отнюдь не плоская.

Размер этой неопределенностипространства-времени крайне мал. Из простых соображений можно указать масштаб,на котором эти флуктуации становятся столь значительными, он называетсяпланковским масшатабом. “Квант” простраственной длины равен приблизительно 10-33см, а “квант” времени 10-43 сек. То, на сколько это ничтожныевеличины, можно понять если размер электрона равен 10-13 см. Т.е.планковская длина на 20 (!) порядков меньше размеров электрона. На таких малыхрасстояниях и промежутках времени физика пространства-времени должна (именнодолжна, а не “может быть”) сильно отличаться от привычной, и ОТО АльбертаЭйнштейна не применима (становится неправильной).

К сожалению на современномэтапе мы можем лишь только догадываться, что делается на таких масштабах. Нанастоящем этапе нет ни последовательной теории, ни возможности проведенияэксперимента в области квантовой гравитации. Хоть я и использовал (замечу вкавычках) термины “квант пространства”, “квант времени” их нельзя пока считатьчем-то дискретным или вкладывать какой-либо другой смысл, т.к., повторю, чтоэто – мы не знаем, а лишь можем оценить по порядку величины планковскиймасштаб.

Все без исключения теории,имеющие дело с пространством-временем, до сих пор считают эти его непрерывныммногообразием, это подразумевал Ньютон, это подразумевал Эйнштейн, это принятосейчас. Однако, если мы откажемся от представления, что пространство-время –непрерывное многообразие без края (по сути это началось с Декарта), а будемсчитать его множеством более общего типа, то, видимо, как отмечает американскийматематик Пенроуз [5], мы придем к новой физике и к новому пониманию природыпространства. Такие попытки делались (некоторые из них описывает Блохинцев[12]), но они настолько слабы, что даже назвать их гипотезами довольно трудно.Это и понятно, ведь помыслить пространство не непрерывным, или каким-то, можетбыть, еще более странным, и развить соответствующую теорию не удается пока даженам, людям, уже привыкшим к революциям в мировоззрении.

6. Не конец

Мне кажется, я достаточно полно осветил, основныепредставления о пространстве и времени, существовавшие на протяжении веков.Основной прогресс, однако, в понимании сути был достигнут лишь в уходящем векев связи с бурными изменениями в физике. Хотя, говорить, что стала окончательноясна суть, конечно рано. Сейчас судьба вопроса всецело в руках физики, как идолжно быть, и, надеюсь, скоро, с созданием теории квантовой гравитации, мыстанем обладателями нового, еще более полного и правильного, понимания того,что же такое пространство и время. Поэтому ставлю многоточие…

www.ronl.ru

Реферат - Пространство и время

(реферативное исследование)

1. Начало

Решение написать реферат, в котором бы подробно анализировались категории пространства и времени, связано с тем, что это действительно мне интересно. Этот интерес давний и искренний. Подтверждением тому моя научная работа в области теоретической физики – я занимаюсь квантовыми черными дырами. Для непосвященного, возможно, не ясно, как это касается пространства и времени, но, надеюсь, в этой работе я смогу объяснить это. Конечно, есть риск превратить реферат по философии в научно-популярную статью по физике, но, коль скоро мы заговорили о пространстве и времени, без экскурса в современную физику наше обсуждение будет существенно неполным.

Кроме того, ни один из крупных философов от древности до ХХ века не обходил вниманием понятия пространства и времени, поэтому недостатка в реферируемом нет, и это немаловажно. Вопрос, что же есть пространство и время, тем не менее, как кажется мне, еще далек от своего полного разрешения. Физика уходящего столетия заставила несколько раз поменять взгляды на столь фундаментальные понятия и выявила несостоятельность большинства философских концепций. Наверное, сейчас редкий философ рискнет обсуждать этот вопрос, отдав его на откуп физикам, что еще раз подтверждает мое право не только цитировать классиков, но и принять посильное участие в дискуссии. Здесь можно привести шутливое высказывание замечательного американского физика-теоретика Ричарда Фейнмана: “… когда будут открыты все физические законы, придет время философов, которые до этого стояли рядом и подавали глупые советы” [1]. Ввиду отсутствия ясного взгляда на пространство и время и даже, быть может, их четкого определения, нам остается рассмотреть историю вопроса, которая открывается греческой философией и проходит практически через все основные философские учения. В реферате сознательно обойдем слишком экзотические концепции, такие как теория Бергсона, и это вовсе не значит, что они были совсем упущены из вида. Дело в том, что их ценность для современности и будущего науки представляется сомнительной.

Все многообразие взглядов можно разделить на две основные категории. 1) пространство и время субъективны; 2) они объективны. Пожалуй, нумерацию лучше поменять, т. к. я являюсь последовательным сторонником первой точки зрения. В разные времена люди ставили разные вопросы касательно природы и свойств пространства и времени, но один из них, по крайней мере, прослеживается издревле: существует ли “пустое пространство”? Позже к нему примкнул другой: можно ли говорить о времени, если “ничего не происходит”. Не буду интриговать читателя и скажу, что на эти вопросы в середине ХХ века, наконец-то, получен строгий однозначный ответ – нет. А вот почему? С объяснением придется подождать. Необходимые комментарии и пояснения из области физики будет даны по ходу обсуждения.

Действительно, категории пространства и времени являются, пожалую, одними из самых сложных в философии. Человек желает раскрыть истинный смысл и природу вещей и явлений, его окружающих. Если с объяснением материальных объектов (назовем их так) дело обстоит более менее неплохо, то с пространством и временем вопрос темный. Как мне представляется, причина состоит в том, что большинство материальных объектов человек может “повертеть в руках”, рассмотреть их, поэкспериментировать с ними и, поразмыслив, составить представление об их природе. Ставить опыты со временем и пространством человечество еще не научилось, и на долю ученых остается лишь их мысленное созерцание. Мы до сих пор подобны греческим философам, которые строили свои метафизические теории без активного вмешательства в природу, ограничиваясь случайными, и, в общем-то, неупорядоченными наблюдениями. Понятно, что при этом трудно рассчитывать на глубокое и правильное понимание вопроса. Видимо придется ждать нового Галилея, который сможет ставить опыты со временем и пространством. Если верить обещаниям американских физиков и инженеров, то ждать осталось недолго. В скором времени мы станем свидетелями первого в истории человечества эксперимента с пространством и временем – возможным наблюдением гравитационных волн в рамках американского проекта LIGO. Первая установка требуемой точности вступит в строй, как обещано, в 2001 году в Калифорнии (США).

2. Греки

Итак, начнем с греков. Большинство из философов того далекого прошлого не интересовались пространством в чистом виде, обсуждение подобных проблем носило вспомогательный характер при анализе покоя и движения и вообще в метафизике. А это в свою очередь для греков неизбежно сводилось к вопросу о существовании пустоты или, мы бы сказали, “пустого пространства”, не заполненного никакими телами. Причем люди уже тогда хорошо понимали, что воздух не есть настоящая пустота – это тоже тело (среда). Доводы сторонников существования пустоты в природе сводились к аргументу, что если бы в мире все места были заполнены, то тела не смогли бы двигаться, и это противоречит истинному положению дел. Этот довод был очень сильным и греки, в общем-то, ничего не смогли противопоставить ему по существу. Вывод, сделанный последователями Парменида, был неожиданным и парадоксальным, – движения нет. Не будем обсуждать мировоззрение и философию, следующее отсюда, сосредоточимся на самом утверждении. “Конечно, можно возразить, и, вероятно, это будет основательно, что движение никогда не может возникнуть в заполненном пространстве, но нельзя обоснованно утверждать, что оно там вовсе не может происходить” [2].

Очень замечательны в этом отношении апории Зенона, ученика Парменида. Мы вполне можем утверждать, что эти парадоксы касаются непосредственно свойств пространства и времени. Они настолько широко известны, что приводить их здесь смыслы не имеет, перейдем сразу же к анализу. Зенон старался показать при их помощи парадоксальность движения. Но для нас очень важно то, что пространственный отрезок Зенон считал возможным делить до бесконечности также как и рассматривать бесконечно близкие моменты времени. Таким образом, можно утверждать, что в античности пространство и время мыслились непрерывными, это один из важнейших для нас моментов, запомним это.

Современники Зенона были настолько поражены апориями, что конечно же старались найти какие-то объяснения. Здесь я упомяну интересное разрешение этих парадоксов, данное Демокритом. Вообще последовательная позиция этого атомиста заслуживает уважения, ведь он считал “зернистым” не только вещество, но и время, и пространством. Довод Демокрита состоял в том, что пространство дискретно, и для тела возможно лишь определенное счетное множество положений. Поясняя эту мысль, скажу, что пространство представлялось ему как бы разлинованным на клеточки, и атомы могут находиться только в определенных клетках, а с одного место в соседние перемещаться скачкообразно. Долгое время казавшаяся оригинальной, но не имеющей никакого отношения к действительности, эта точка зрения вновь привлекла к себе внимание лишь сейчас в связи с гипотезами относительно теории квантовой гравитации. Недавно некоторые авторы, к которым относится и известный советский физик Блохинцев [4], делали попытки проанализировать модель дискретного пространства-времени. Квант пространства при этом равнялся невообразимо малой величине 10-33 см, а квант времени 10-43 сек. Хотя и нельзя сказать, что такой подход сейчас считается перспективным, но столь неожиданные параллели между античными идеями и современными физическими парадигмами весьма замечательны. Во избежание недоразумений поясню, что сейчас уже речь, конечно, не идет о преодолении классических апорий, причина введения дискретного пространства состоит в другом.

Позже греки отчетливо разделяли материю и пространство, как вместилище всех вещей, наиболее четко такая позиция сформулирована у Аристотеля: “Утверждающие существование пустоты называют ее местом; в этом смысле пустота была бы местом, лишенным тела” [3]. Кстати, у Аристотеля движение возможно только благодаря веществу. Брошенное тело высвобождает позади себя место, куда устремляется воздух, подталкивая тело вперед. Далее следует развитие этой мысли, что в более разреженной среде сопротивление движению слабее и тело движется быстрее. Так в пустоте движение стало бы настолько быстрым, что тело приобрело свойство вездесущности. Этот вывод говорит о весьма оригинальном понимании Аристотелем пространства и его свойств. Несмотря на кажутся наивность такой точки зрения, здесь содержится весьма глубокое умозаключение, что в пустом пространстве все положения (точки) равноправны, хотя стагирит, видимо, не понимает это утверждения в подобном свете. Эти идеи Аристотеля представляются мне этаким античным аналогом теоремы Эммы Нетер, сформулированной в прошлом веке.

Говоря об античном воззрении на пространство и время, никак нельзя обойти геометрию Евклида. Это, наверное, первая строгая и последовательная научная теория, построенная индуктивным способом на основе аксиом, которых в элементарной геометрии пять. Эти постулаты казались совершенно естественными и неколебимыми для математиков вплоть до Лобачевского, Бойяи и Римана (см. ниже). Аксиомы Евклида произошли исключительно из опыта, т.е. согласно Канту представляют собой синтетические высказывания, однако, тот же немецкий философ замечает, что даны они человеку априори. Что важно для нас в античной геометрии. Наверное, стоит отметить то, что люди научились теоретически обращаться с идеальными объектами на плоскости – точками, прямыми и т. д., греки смогли абстрагироваться от реальных объектов и рассматривать отдельно форму. Можно сказать, что во времена Евклида, появились абстрактные представления о пространстве. Это знаменует качественной скачек в сознании, с пространством, оказывается, можно оперировать, отвлекаясь от наполняющего его вещества.

3. От Исаака до Альберта

Вкратце познакомившись с мнением античных философов относительно пространства и времени, так как их точка зрения представляет скорее исторический интерес, двинемся дальше. Примем к сведению их порой оригинальные теории, но не станем спорить с классиками. Гораздо важнее для нас Декарт, “… доводы которого точно совпадают с положениями ранних греческих философов, сказал, что протяженность является сущностью материи, а, следовательно, материя имеется повсюду. У него протяженность – прилагательное, а не существительное, ее существительное – материя, и без своего существительного протяженность не может существовать. Для него пустое пространство также абсурдно, как счастье без чувствующего существа, которое счастливо” [4]. Можно констатировать, что для Декарта пространство, коль скоро они есть, заполнено материей, средой. И такую особенную среду Декарт изобрел, назвав ее “тонкой материей”. Для физиков второй половину прошлого века такой “тонкой материей” был эфир – некая среда, наполняющая пространство, относительно которой распространяются электромагнитные волны. Видимо, использовав такую аналогию, я не сильно искажаю понятие “тонкой материи” Декарта (за исключением, естественно, всего сказанного об колебаниях электромагнитного поля). Пространство надо было заполнить такой протяженной материей, причем эта материя практически не проявляется в нашем мире. Мне представляется, что тогда “токая материя” фактически ничем не отличается от пустоты.

Декарт, похоже, все же очень хотел исследовать пространство как таковое без вещества. Не удивительно, что прогресс в этой области был достигнут рационалистом, ведь возможность исследования пространства эмпирическими методами представляется на тот момент несколько сомнительной. Декарту принадлежит изобретение координатной плоскости. Это уже следующая степень абстракции после Евклида. За счет введения системы координат удалось свести геометрию к чисто аналитической дисциплине, не говоря о том, что сам метод координат играет решающую роль в современной релятивистской физике. Декартовы координаты, будучи определены при помощи тройки действительных чисел, совершенно четко показывают непрерывность пространства и его трехмерность. Выражаясь языком современной математики, после Декарта пространство стало многообразием, т.е. таким множеством элементов (точек), которое можно параметризовать при помощи набора действительных чисел. Утверждение о том, что пространство есть многообразие, является важнейшим положением современной физики.

Следующий принципиальный шаг был сделан с появлением механики Исаака Ньютона. Чтобы сформулировать законы динамики Ньютону пришлось обратиться к принципиальному вопросу, что есть пространство и время? Ему было необходимо просто-напросто дать определение этим понятиям, раз уж он строил аксиоматическую теорию наподобие евклидовой геометрии. На этом моменте следует остановиться подробнее, потому что, мне кажется, сами того не осознавая, большинство наших современников, изучавших в школе физику, но не занимающиеся ею профессионально, придерживаются именно ньютоновского взгляда на пространство и время. В нашей критике Исаака Ньютона будем следовать Эрнсту Маху [6], давшему, на мой взгляд, самую основательную оценку трудов великого англичанина.

Обратимся к первоисточнику [8]. “В изложенном выше имелось в виду объяснить, в каком смысле употребляются в дальнейшем менее известные названия. Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятия обыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные сужения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные.

Абсолютное. Истинное и математическое время само по себе и по самой 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, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год…”. Этим определением Ньютон абсолютизирует время, как текущее вне зависимости от любых реальных процессов в природе. Далее в этом же тексте Ньютон говорит, что может не существовать точного стандарта времени на основе физических или астрономических явлений, из-за их несовершенства (в смысле точной неповторимости). “Создается впечатление, – пишет Мах [6], – что … Ньютон находится еще под влиянием средневековой философии, как будто бы он изменил своему намерению исследовать только фактическое”, время становится чем-то абстрактным, независящем от всякого измерения.

Что же касается пространства, то Ньютон пишет: “Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, останется всегда одинаковым и неподвижным. Относительное есть его 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…”. Здесь представляется излишним комментировать это положение Ньютона, оно весьма аналогично его суждению о времени. Важно, что в “Началах …” различается абсолютное и относительное движения, причем это обсуждается автором очень тщательно.

Наверное Ньютон находился под влиянием Декарта, но выкинув “тонкую материю”, оставляет для своей механики только абстрактную жесткую и неподвижную систему координат, считая однако ее вполне реальной сущностью. Разделяя абсолютное и относительное движение, Ньютон даже сделал шаг назад по сравнению с Декартом, который еще раньше вполне правильно понимал относительность всякого движения. Возможно философские моменты довольно непоследовательны и искусственны, но не будем забывать, что задача Ньютона была совсем в другом – научиться описывать динамику тел. Успех механики был столь велик, что “судить победителя” научное сообщество взялось только два столетия спустя, когда началось внимательное осмысление фундаментальных положений теории Исаака Ньютона такими учеными как Ланге и Мах. Их идеи логично будет поместить здесь, т.к. во многом они вытекают из критики Ньютона.

Мах придерживался той точки зрения, что нелепо говорить о движении тела безотносительно других тел, измеряя движение лишь в абсолютном пространстве. Весь наш опыт ведь сводится к измерению лишь расстояний между отдельными предметами. Мах приводит парадокс. Предположим, что тело помещено в абсолютно пустое пространство, которое лишено даже сильно удаленных звезд, тогда нельзя понять находится ли наше тело в покое или к примеру вращается вокруг собственной оси кроме, как измерив центростремительное ускорение. Такой вывод строго следует из представлений об абсолютном пространстве у Ньютона, и можно выделить “абсолютно невращающуюся” систему отсчета в пустоте, что Мах как позицивист принять не мог.

Выход, который предлагает Мах следующий. Давайте сформулируем закон инерции (который собственно и определяет, что есть инерциальная система отсчета) иначе. “Вместо того, что относить движущееся тело к пространству (к какой-нибудь инерциальной системе), будем рассматривать непосредственно его отношение к телам мира, посредством которых только и можно определить систему координат”. Очень далекие друг от друга тела движутся с постоянными по величине и направлению (относительными) скоростями. Близкие тела, находящиеся “в более сложном отношении” или, мы бы сказали, взаимодействующие друг с другом и движутся уже с непостоянной относительной скоростью. Теперь “вместо того, чтобы говорить: расстояние и скорость массы в пространстве остаются постоянными, можно употреблять выражение, что среднее ускорение массы <…> относительно <всех других масс …> равно нулю” [6]. При этом ненулевое ускорение относительно ближайших тел будет скомпенсировано большим вкладом массивных удаленных объектов (звезд), которые с исследуемым телом не взаимодействуют. Поясним, что наше тело на самом деле свободно, а ускорение относительно соседей может быть из-за того эти самые соседние тела могут быть по каким-то причинам подвержены действию сил, и, тем самым, ускорены они. Удаленные массы во Вселенной “задают” инереицальн(ую/ые) системы отсчета.

Такая трактовка закона инерции Махом по истине относительная. Однако подразумевает некоторую космологию, хотя и не важно какую именно. На это Эрнст Мах отвечает, что быть может и не существует локальных законов типа ньтоновских, и, чтобы описывать даже движение тел в небольшом объеме, “невозможно отвлечься от остального мира.” Он далее замечает [6], “Природа не начинает с элементов, как вынуждены начинать с них мы. Впрочем, для нас счастье, если нам удается на некоторое время отвести взор от огромного целого и сосредоточиться на его отдельных частях.” Таким образом Мах исправляет идейные основания классической механики, констатируя, что в обыденности мы можем пользоваться законами Ньютона, понимая однако по-другому, что есть инерциальная система отсчета.

Оставим пока Маха и вернемся чуть назад во времени. (Мне очень трудно придерживаться хронологии и в то же время не разрывать логически изложение эволюции той или иной концепции.) Чтобы завершить разговор о пространстве и времени, как его представляли люди начала XIX столетия, надо обсудить некоторые субъективистские парадигмы. Наверное, во времена Юма возникло также новое причинное понимание времени, которое, упрощенно говоря, состоит в том, что время воспринимает нами как “параметр”, по которому упорядочиваются причина и производимое ею следствие. Вообще в это время мы видим, как наряду с вопросом о времени появляется вопрос причинности, но это уже лежит за пределами определенного мной реферата.

Следующий на ком мы остановим свой пристальный взгляд – Лейбниц. Но тут мы сталкиваемся с новой субъективной теорией пространства, которая нашла свое завершение в философии Иммануила Канта. Основываясь на своем учении о монадах. Лейбниц считает, что “пространства – как оно является чувствам, и как его рассматривает физика, – не существует, но оно имеет реального двойника, а именно расположение монад в трехмерном порядке соответственно точки зрения, с которой они отражают мир. Каждая монада видит мир в определенной перспективе присущей только ей; в этом смысле мы можем несколько произвольно говорить о монадах как имеющих пространственное положение”. Я лично не могу принять такую позицию, но всю свою критику я обрушу на Лейбница и Канта вместе, а пока надо прейти к теории пространства и времени последнего, что дать пищу нашему обсуждению.

Кант утверждает, что наши ощущения имеют причины, которые он называет “вещами в себе”. Наше восприятие, называемое “феноменом”, состоит из “ощущения” (объективная составляющая) и “формы” явления. Форма не есть само ощущение, это субъективный аппарат, устанавливающий определенные отношения явлений и их порядок. Форма не зависит от среды и априорна, она всегда присутствует в нас и не связана с опытом. У “чистой формы” есть две составляющие – пространство и время. При этом пространство “ответственно” за внешние ощущения, а время – за внутренние. Для обоснования своей позиции Кант выдвигает несколько доказательств, что пространство и время являются априорными формами.

“Пространство не есть эмпирическое понятие, отвлекаемое от внешнего опыта, В самом деле, представление пространства должно уже лежать в основе для того, чтобы известные ощущения были относимы к чему-то вне меня (то есть к чему-то в другом месте пространства, чем то, где я нахожусь), а также для того, чтобы я мог представлять их как находящиеся вне друг друга, следовательно, не только как различные, но и как находящиеся в различных местах”.

“Пространство есть не дискурсивное, или, как говорят, общее, понятие об отношениях вещей вообще, а чисто наглядное представление. В самом деле, можно представить себе только одно единственное пространство, и если говорят о многих пространствах, то под ними подразумевают лишь части одного и того же единого пространства, к тому же эти части не могут предшествовать единому всеохватывающему пространству как его составные элементы (из которых возможно было бы сложение), но могут быть мыслимы только как находящиеся в нем. Пространство существенно едино; многообразное в нем, а, следовательно, также общее понятие о пространствах вообще основывается исключительно на ограничениях”.

Другие аргументы Канта состоят в том, что поскольку мы не можем вообразить, что не существует пространство, то это понятие априорное, кроме того пространство – бесконечно данная величина. Последние заключения не состоятельны, т.к. являются сугубо субъективными, и другой человек может воображать все совершенно иначе. Серьезный аргумент не может быть основан на том, что можно или нельзя представить. Против утверждения из первой цитаты можно сказать, что раз пространственное расположение вещей завит от субъекта, расставляющего их (чтобы расширить нашу критику и на Лейбница тоже вместо слова “субъект” можно ставить слово “монада”). Но нельзя же игнорировать физические закономерности, которые определяют движение тел в пространстве. Получается, по совпадению для разных субъектов эти законы одинаковы, в то время, как располагать предметы они могут по соей воле.

В принципе выводы, которые делает Кант, еще можно было стерпеть в конце XVIII века во время торжества ньютоновской механики, но с появлением общей теории относительности они становятся с очевидностью ошибочными. Поясню свою мысль. Дело в том, что в эйнштейновской теории гравитации искривление самого пространства ведет к вполне определенным регистрируемым эффектам. Если стоять на позиции Канта, то получатся, что мое субъективное восприятие мира (“вид” пространства) приводит к объективным ощущениям (физическим явлениям).

Второе доказательство Иммануила Канта, касающееся единства пространства и невозможности воображения “других” пространств”, с релятивистской точки зрения опровергается тем, что пространство или пространства не являются субстанциями (так считает Бертран Рассел). Я же могу добавить, что если понимать “пространство” в математическом смысле слова, т.е. допустить существование пространств различных размерностей, сигнатур и топологий, то они никак не могут являться частями одного (плоского трехмерного) пространства. Мне кажет, что здесь я достаточно показал несостоятельность теории Канта с точки зрения современной науки, поэтому не будем углублять критику, а лучше обратимся к более важным и реалистичным парадигмам, тем более, что нас ждет новая эпоха – время релятивизма.

4. Относительно относительности

Сложно оценить насколько громадный вклад в учение о пространстве внес немецкий математик Риман. Его мысли были столь прогрессивны, что полностью не исчерпаны даже в современной физике. Эйнштейн многое взял у Римана, от части развенчивая первого, можно даже сказать, что идеология ОТО заложена еще в работах Римана середины прошлого (позапрошлого) века. Взгляды Римана наиболее компактно изложены в лекции [9], прочитанной 10 июня 1854 года (опубликовано в 1868 г.

Риман вводит понятие n-протяженной величины, что на более понятном нам языке означает многомерное пространство. Естественно представить его можно только аналитически, а ни как не вообразить себе его наглядно. Математика того времени, как раз начала уже оперировать со столь абстрактными объектами, не даваемыми нам повседневным опытом. Предвидя возможные возражения и непонимание у современников, Риман долго в своей работе разъясняет понятие многомерности. Сейчас множественность пространственно-временных измерений встречается в физике довольно часто, но тогда такое обобщение многим казалось необоснованным. Некоторые предостережения давали позитивисты того времени, в том числе и Мах [7], но, впрочем, они разделяли позицию Римана. Возник новый вопрос: “Почему пространство трехмерно?”

Первым применением многомерности можно назвать четырехмерное пространство Минковского, где наряду с ординарными пространственными измерениями фигурирует время. Не вдаваясь в математические пояснения, скажу, что, однако, у нового измерения есть некоторые замечательные особенности, и как следствие метрика такого пространства оказывается индефинитной. Вообще говоря мало ввести еще одно число, как измерение, например температуру данной точки. Новая координата должна быть “однородной” с остальными, должны существовать преобразования “связывающие” друг с другом различные измерения (в случае с температурой их нет). Для четырехмерного пространства-времени Минковского такими преобразованиями являются преобразования Лоренца, имеющими, как показал Эйнштейн, физический смысл.

Вот мы плавно и перешли к обсуждению специальной теории относительности (СТО). Эйнштейн ввел постулат о различимости физических процессов и об одинаковости скорости света в разных инерциальных системах отсчета. Далее математическими выкладками не сложно получить все “чудеса” СТО такие как замедление времени движущихся часов, сокращение длины и проч. Но на мой взгляд важнее все именно констатация четырехмерности нашего пространства. Повороты, или так называемые бусты, в пространстве Минковского эквивалентны переходу в движущуюся систему отсчета, где уже будут несколько другими временные и пространственные координаты, что и приводит к перечисленным релятивистским эффектам.

Но стоит заметить, это мое мнение, хотя в нем я и не до конца тверд, что пространство-время в СТО все же абсолютно(!), вопреки распространенному обратному мнению. За исключением четвертого измерения, оно вполне аналогично ньтоновскому (см. выше), т.е. положение и скорость тел измеряется по отношению к координатной системе, а не относительно других тел. Определение же этой самой инерциальной системы координат умалчивается. Все те же постулаты Ньютона о пространстве можно переложить и для пространства-времени с небольшими изменениями. Слово же “относительность” в названии теории связанно с неразличимостью физики в различных, опять таки выделенных априори, инерциальных системах. Вся критика Маха в такой же степени применима к Эйнштейну как и к Ньютону.

Конечно, СТО новая колоссальная веха, в понимании сущности пространства и времени, того что пространство и время едины, что они есть проявления единой сущности. Однако и СТО не лишена недостатков. На сей день я не вижу ни одной теории, которая преодолела трудности предъявленные Махом, и хотя эти проблемы носят принципиальный характер, но все же являются понятийными, на полезности теории и ее адекватности эксперименту они никак не сказываются, и в конечном счете носят схоластический характер. Теперь перейдем к истории общей теории относительности (ОТО). Несмотря на похожесть названий, это совершенно разные теории. ОТО – это теории гравитации.

До начала XIX века все теории пространства подразумевали, так или иначе, справедливость в нашем мире евклидовой геометрии. Но математика здесь внесла свои коррективы, что в течение прошлого века существенно изменила и философские взгляды на категории пространства, а затем и времени. Я говорю об открытии Лобачевского, Бойяи, Римана неевклидовой геометрии, которую сейчас принято называть дифференциальной или римановой геометрией. Дело в том, что если отбросить одну из аксиом Евклида, говорящую о том, что параллельные прямые на плоскости не пересекаются, то теория обобщается на неплоские (искривленные) пространства. Первым это заметил Лобачевский, который первоначально надеялся получить противоречие, что, если отбросить пятую аксиому Евклида о параллельных, чтобы доказать ее необходимость включение в ряд постулатов.

Риман развил аппарат криволинейной геометрии и задался вопросом о применимости новой геометрии к нашему миру. Сформулировать проблему можно так: “А действительно ли наше пространство плоское?”. Если же объединить представление о пространстве Минковского и неевклидову геометрию, то можно прийти к искривленному четырехмерному пространству-времени. Это и есть основа эйнштейновской ОТО. Оказывается, что искривление пространства и времени проявляет себя как поле тяготения. Кривизна в свою очередь обусловлена наличием материи, т. е. вещественные тела и энергия являются вызывают искривление пространсва-времени. Эту связь устанавливает уравнение Эйнштейна (уравнение гравитационного поля) – центральное в ОТО. Не стану перечислять успехи ОТО и многочисленные предсказания, такие как черные дыры и расширение Вселенной – все это очень интересно, но довольно трудно для изложения не специалистам, и без привлечения сложнейшей математики.

ОТО коренным образом ломает наши представления о геометрии мира. Проблему усмотрел еще сам Риман, процитируем по указанной работе [9]. “… речь идет о распространении эмпирического опыта за пределы непосредственно наблюдаемого – за пределами неизмеримо большого или неизмеримо малого: за пределами непосредственно наблюдаемого метрические отношения становятся все менее точными, чего нельзя сказать об отношениях протяженности. <…> Если допустим, что тела существуют независимо от места их нахождения, так что мера кривизны везде постоянна, то из астрономических наблюдений следует, что <кривизна> не может быть отлична от нуля; или если она отлична от нуля, то по меньшей мере можно сказать, что часть Вселенной, доступная телескопам, ничтожна по сравнению со сферой той же кривизны. Если же такого рода независимости тел от места их нахождения не отвечает действительности, то из метрических отношений в большом нельзя заключать о метрических отношениях в бесконечно малом: в таком случае в каждой точке мера кривизны может <…> иметь какие угодно значения, лишь бы в целом кривизна доступных измерению частей пространства заметно не отличалось от нуля. ”

Единственная разница в трактовки проблемы Риманом и современным понимание состоит в том, что Риман везде разумеет трехмерное пространство, в то время как ОТО имеет дело в искривленным четырехмерным пространством-временем. Вопрос о геометрии в бесконечно большом приводит нас к современной космологии. Кривизну Вселенной можно заметить их астрономических наблюдений, однако не так как имел в виду Риман (измерение параллакса далеких звезд). В 1929 году американский астроном установил, что спектр (цвет) далеких галактик искажен в сторону красного, и чем дальше объект, тем сильнее это красное смещение – это есть следствие расширения Вселенной.

Второе замечание Римана, касающиеся бесконечно малых масштабов, до сих пор актуально, т.к. ОТО нельзя использовать для очень малых расстояний и промежутков времени, мы и сейчас не знаем, что же представляет из себя пространство-время в бесконечно малом, т.е. какова же его природа. Почему? И как быть?… Читайте дальше.

5. Последнее время

Мы все ближе к самому интересному – последним достижениям науки в деле изучения пространства и времени. Даже если читатель до сих пор не встретил ничего нового для себя в предыдущем изложении, то, надеюсь, скоро он удивится многим, кажущимися на первый взгляд фантастическим, вещам.

В свете ОТО все что есть в мире – это искривленное пространство-время и материя, наполняющая его и движущаяся в нем. Как любят говорить физики, есть геометрия и вещество. Эйнштейну всю его жизнь не нравилась такая разнородность. Он хотел все объяснить только геометрией – вот уж действительно стройная картина мира. Материальные явления при этом есть какое-то особое проявление “гравитации” или искривления некоего нового рода.

К постановке вопроса о геометризации физики первым пришел на самом деле не Альберт Эйнштейн. Гораздо раньше (1876 г.) Клиффорд написал резюме “О пространственной теории материи”. Вот те четыре пункта, которые он установил [12].

“1. … малые участки пространства <…> аналогичны небольшим холмам на поверхности, которая в среднем является плоской, а именно: там не справедливы обычные законы геометрии.

2. … свойство искривленности или деформации непрерывно переходят с одного участка пространства на другой наподобие волны.

3. … такое изменение кривизны и есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи, будь она весомая или эфирная.

4. … в физическом мире не происходит ничего, кроме таких изменений…”

Поражает, ведь это было написано более столетия назад, до создания не только квантовой механики, но и теории относительности.

Путь решения этой проблемы геометризации состоял в добавлении измерений к тем четырем, которые установила теория относительности, дополнительных, проявление которых заключалось бы в других (электрических и магнитных) силах, или еще как-нибудь по-другому видоизменить ОТО – таково было основное направление течения мысли ученых. В 20-30-х годах уходящего века появились различные многомерные теории, включающие кроме гравитации геометрическое толкование электромагнетизма. Одной из самых простых подобных теорий была теория Калуцы [11]. Он ввел пятое измерение, тем самым объяснив электромагнетизм, но его модель содержала побочные предсказания, которые не нашли отражения в действительности, и теория в целом оказалась нежизнеспособной, как и ряд других подобных гипотез того времени. Эйнштейн до конца жизни не оставлял своей программы геометризации физики, но так и не нашел заветную Единую теорию поля. Трудностей добавило открытие кроме того нового сорта (ядерных) сил, объяснение которых тоже требовалось включить в теорию.

Коль скоро разговор зашел о многомерных теориях, стоит упомянуть, что уже в конце 70-х годов ХХ века физики снова пришли к экстраизмерениям. Это связанно с теорией струн – одним из подходов на пути объединения всех видов взаимодействий в физике. Выяснилось, что различные виды струн могут существовать только в пространствах определенной размерности. Такой критической размерностью для так называемых суперструн являются 10 измерений. Куда же деть 6 лишних измерений? Ведь мы видим всего 4 из них (3 пространственных и одно время). Для этого был придуман принцип компактификации, согласно которому “лишние” измерения “свернуты” до столь малого масштаба, что до сих пор не приводили к опытным следствиям.

В то же время Пероуз показал [5], что наличие именно трех пространственных измерений и одного временного напрямую следует из существования спинорной структуры. Если пространство-время наделено такой структурой (а оно такой структурой действительно обладает, т. к. существуют частицы со спином ½), то оно, однозначно, будет только четырехмерным с тремя пространственными измерениями и единственным временем. Это впечатляет, хотя я здесь и не могу раскрыть достаточно полно этот момент и доступно объяснить, что есть спинорная структура. Непосвященному читателю придется и так поверить в полученные выводы.

Другой, еще более революционной, теорией, появившейся в ХХ века стала квантовая механика. Хотя она на прямую и не связана с понятиями пространства и времени, используя “готовую” теорию относительности, квантовая механика тем не менее и здесь внесла новизну. Я говорю о предсказании существования так называемых виртуальных частиц. Дело в том, что даже в пустом пространстве постоянно идет процесс рождения и гибели виртуальных пар частица-анитичатица, происходит, как говорят, кипение вакуума. Причем это кипение никаким образом нельзя остановить или усилить, его причина лежит именно в квантовой неопределнности, физические поля не могут польностью обратиться в ноль ни при каких условиях, всегда существуют так называемые нулевые колебания, флуктуации около нуля. Для нас это имеет самое решительное значение, т.к. пространство, оказывается, всегда чем-то заполненным, не может быть в принципе(!) пустого пространства, есть физический вакуум. Нет и “пустого”, “не наполненного” событиями времени, всегда есть процесс рождения-гибели виртуальных пар. Вспомним, этим вопросом о существовании пустого пространства и времени, “если ничего не происходит”, как раз и задавался Декарт и другие философы. Так современная физика дали однозначный ответ, на один из древних вопросов.

Но главную проблему для теории гравитации Эйнштейна квантовая механика создает в другом. Принцип неопределенности Гейзенберга и вероятностную трактовку всех явлений надо расширить на само пространство-время. “Вероятностная геометрия” (хорошо бы звучало) это уже что-то совсем поразительное. Скажу сразу, этот вопрос до сих пор не решен, является одним из центральных в фундаментальной теоретической физике начале третьего тысячелетия и носит название – квантовая гравитация (то чем и занимается автор реферата).

Кстати, Эйнштейн до конца своих дней был противником квантовой механики и считал ее лишь временной теорией, хорошо описывающей явления микромира на данном этапе, однако, ее принципиальная сторона Альберту не нравилась, “бог не играет в кости”, – любил он говорить, возражая против вероятностной трактовки, существующей в квантовой физики. Природа квантовых явлений на самом деле, считал Эйнштейн, лежит глубже, есть скрытые параметры, а мы не зная их можем вычислять явления лишь с той или иной вероятностью. Некоторые придерживаются мнения, что суть квантовых явлений в особом поведении пространства-времени на малых масштабах. Но, скажу, это сейчас не является общепризнанной позицией, квантовая механика принята подавляющим большинством физиков как фундаментальная теория.

Теперь объясню, как квантовая механика, “мешает” теории гравитации Эйнштейна. Дело в том, что как и другие физические поля, гравитационное поле подвержено квантовым флуктуациям, эдакому дрожанию, неопределенности. Именно об этом и говорил в свое втором замечании, которое касается бесконечно малого, Риман (см выше). Риман, конечно, не имел и представления о квантовой физике, но он правильно предостерег нас, что нельзя автоматически считать пространство плоским в малом, если оно плоское на макроскопическом масштабе. Чтобы непосвященный читатель понял, я приведу сравнение с морем. Море плоское, однако если вглядеться, то на поверхности воды есть рябь, т.е. в малом поверхность воды отнюдь не плоская.

Размер этой неопределенности пространства-времени крайне мал. Из простых соображений можно указать масштаб, на котором эти флуктуации становятся столь значительными, он называется планковским масшатабом. “Квант” простраственной длины равен приблизительно 10-33 см, а “квант” времени 10-43 сек. То, на сколько это ничтожные величины, можно понять если размер электрона равен 10-13 см. Т.е. планковская длина на 20 (!) порядков меньше размеров электрона. На таких малых расстояниях и промежутках времени физика пространства-времени должна (именно должна, а не “может быть”) сильно отличаться от привычной, и ОТО Альберта Эйнштейна не применима (становится неправильной).

К сожалению на современном этапе мы можем лишь только догадываться, что делается на таких масштабах. На настоящем этапе нет ни последовательной теории, ни возможности проведения эксперимента в области квантовой гравитации. Хоть я и использовал (замечу в кавычках) термины “квант пространства”, “квант времени” их нельзя пока считать чем-то дискретным или вкладывать какой-либо другой смысл, т.к., повторю, что это – мы не знаем, а лишь можем оценить по порядку величины планковский масштаб.

Все без исключения теории, имеющие дело с пространством-временем, до сих пор считают эти его непрерывным многообразием, это подразумевал Ньютон, это подразумевал Эйнштейн, это принято сейчас. Однако, если мы откажемся от представления, что пространство-время – непрерывное многообразие без края (по сути это началось с Декарта), а будем считать его множеством более общего типа, то, видимо, как отмечает американский математик Пенроуз [5], мы придем к новой физике и к новому пониманию природы пространства. Такие попытки делались (некоторые из них описывает Блохинцев [12]), но они настолько слабы, что даже назвать их гипотезами довольно трудно. Это и понятно, ведь помыслить пространство не непрерывным, или каким-то, может быть, еще более странным, и развить соответствующую теорию не удается пока даже нам, людям, уже привыкшим к революциям в мировоззрении.

6. Не конец

Мне кажется, я достаточно полно осветил, основные представления о пространстве и времени, существовавшие на протяжении веков. Основной прогресс, однако, в понимании сути был достигнут лишь в уходящем веке в связи с бурными изменениями в физике. Хотя, говорить, что стала окончательно ясна суть, конечно рано. Сейчас судьба вопроса всецело в руках физики, как и должно быть, и, надеюсь, скоро, с созданием теории квантовой гравитации, мы станем обладателями нового, еще более полного и правильного, понимания того, что же такое пространство и время. Поэтому ставлю многоточие…

www.ronl.ru

Реферат - Время и пространство в философии

Министерствообразования Российской Федерации

«МАТИ»– Российский Государственный Технологический Университет

им.К.Э. Циолковского

кафедра «Производственный Менеджмент»

<img src="/cache/referats/7744/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1027 _x0000_s1028">

Реферат

по дисциплине:Философия

на тему:

<span Arial",«sans-serif»;mso-ansi-language: RU">Время и пространство в философии.

<span Arial",«sans-serif»;text-transform:uppercase;mso-ansi-language: RU">

Выполнил аспирант: Петросян А.А.

г. Москва2002 г.

Оглавление

 TOC o «1-3» h z u Введение   PAGEREF_Toc536358837 h4<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU;mso-no-proof: yes">

Развитиепредставлений о пространстве – времени до 20-го века.PAGEREF _Toc536358838 h 4<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof:yes">

Понятие пространства и времени в античнойфилософии.PAGEREF _Toc536358839 h 4

Развитие представлений о пространстве и времени вклассической физике.PAGEREF _Toc536358840 h 5

Современныепредставления о природе пространства и времени.PAGEREF _Toc536358841 h 8<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof:yes">

Специальная теория относительности.PAGEREF _Toc536358842 h 8

Пространство и время в  общей теории относительности и в релятивистскойкосмологии.PAGEREF _Toc536358843 h 14

Пространство и время на уровне микромира.PAGEREF _Toc536358844 h 18

Заключение.PAGEREF _Toc536358845 h 21<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof:yes">

ЛИТЕРАТУРА.PAGEREF _Toc536358846 h 22<span Times New Roman",«serif»;mso-no-proof:yes">

Прошло более 2500 лет с той поры, как было положено начало осмыслениювремени и пространства, тем не менее, и интерес к проблеме и споры философов,физиков и представителей других наук вокруг определения природы пространства ивремени нисколько не снижаются. Значительный интерес к проблеме пространства ивремени естественен и закономерен, влияния данных факторов на все аспектыдеятельности человека нельзя переоценить. Понятие пространства — времениявляется важнейшим и самым загадочным свойством Природы или, по крайней мере,человеческой природы. Представление о пространстве времени подавляет нашевоображение. Недаром попытки философов античности, схоластов средневековья исовременных ученых, владеющих знанием наук и опытом их истории, понять сущностьвремени – пространства не дали однозначных ответов на поставленные вопросы.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">Диалектический  материализм  исходит из того, что «в мире нет ничего, кроме движущейся материи, идвижущаяся  материя  не может двигаться иначе, как в  пространстве и  во  времени». Пространство и время, здесьвыступают в качестве фундаментальных форм существования материи. Классическаяфизика рассматривала    пространственно — временной континуум как универсальную арену динамики физических объектов. В прошлом веке представители неклассическойфизики  (физики  элементарных частиц, квантовой  физики  и др.)  выдвинули  новые представления о пространстве и времени, неразрывно связав эти категориимежду собой. Возникли самые разные концепции: согласно одним, в  мире  вообще  ничего   нет, кроме  пустого   искривленного пространства, а физическиеобъекты являются только проявлениями этого пространства. Другие концепции утверждают, что  пространство и  время присущи лишьмакроскопическим объектам. Наряду с интерпретацией времени – пространствафилософией физики существуют многочисленные теории философов, придерживающихсяидеалистических взглядов, так Анри Бергсон утверждал, что время может бытьпознано только нерациональной интуицией, а научные концепции, представляющиевремя, как имеющее какое-либо направление, неверно интерпретируют реальность.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">Начинать  исследование   целесообразно   с  представлений  античнойнатурфилософии, анализируя затем весь процесс развития пространственно — временных представлений вплоть до наших дней.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">

Понятие времени возникло на основе восприятиячеловеком смены событий, предоставленной смены состояний предметов икруговорота различных процессов. Естественнонаучные представления опространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первыеиз них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь вмакромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Рациональныеидеи, согласующиеся с сегодняшними представлениями о времени – пространствеможно найти в учениях почти всех античных мыслителей. Так уже в учении Гераклитацентральное место занимает идея всеобщего изменения – в ту же реку вступаем ине вступаем. В анализе античных доктрин о пространстве и  времени остановимся на двух наиболее полноисследовавших данный вопрос: атомизме Демокрита и  системе Аристотеля.

Атомистическая доктрина  была развитаматериалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом и во многом предвосхитилафундаментальные открытия ученных прошлого века. Согласно, этой доктрины, всёприродное многообразие  состоит из мельчайшихчастичек материи (атомов), которые двигаются,  сталкиваются  и сочетаются впустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются первоначаламимира. Атомы не возникают и  неуничтожаются,  их вечность проистекает изотсутствия начала у времени. Атомы двигаются в пустоте   бесконечное время,которому соответствует бесконечное время. По Демокриту атомы  физически неделимы в силу плотности иотсутствия в них пустоты. Сама  же  концепция была  основана  на атомах, которые  в сочетании с пустотой образуют всё содержаниереального мира. В основе этих атомов лежат амеры (пространственный  минимум материи). Отсутствие у амеров частейслужит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, апоследние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениямисовременной физики о кварках. Характеризуя систему Демокрита как теориюструктурных уровней материи  -  физического (атомы и пустота) и  математического (амеры),  мы сталкиваемся с   двумя пространствами:  непрерывноефизическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанноена амерах как масштабных единицах протяжения материи. В соответствии сатомистической концепцией пространства у Демокрита сложились представления оприроде времени и движения. В дальнейшем  они были развиты Эпикуром в стройную систему. Эпикур рассматривалсвойства  механического движения исходяиз дискретного характера пространства и времени.  Например, свойствоизотахии заключается в том, что все атомы движутся с  одинаковой скоростью. На  математическом уровне  суть изотахии состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят одинатом пространства за один атом времени.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">            Аристотельначинает анализ с общего вопроса о существовании времени,  затем трансформирует его в вопрос о существованииделимого времени. Дальнейший  анализ  времени ведётся Аристотелем уже на физическомуровне, где основное  внимание он уделяетвзаимосвязи времени и движения. Аристотель показывает, что время немыслимо, несуществует без движения, но оно не есть и само движение. В  такой модели времени впервые реализованареляционная концепция. Измерить время  ивыбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического  движения, но, для того чтобы полученнаявеличина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальнойскоростью. В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии — скорость движениянебесной сферы.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения  предметов материального мира, оно понимаетсякак объективная категория, как свойство природных вещей.  Механика Аристотеля функционировала  лишь  вего модели мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Ноэто   лишь один из уровней космоса Аристотеля.Его космологическая модель функционировала в неоднородном конечномпространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен надва уровня: земной и небесный. Земной уровень состоял из четырёх стихий — земли, воды, воздуха и огня; небесный — изэфирных тел,  пребывающих в бесконечномкруговом движении. Аристотелю удалось создать самую совершенную, для своеговремени модель пространства – времени, просуществовавшую более двухтысячелетий.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">

Следующим значительным шагов в развитиипредставлений о природе пространства и времени были работы представителейклассической физики. Как и для античных исследователей мира, для представителейклассической физики основными были обыденные представления о пространстве ивремени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя икоторые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволилсформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую своюнаиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона “Математические началанатуральной философии”. Этот труд более чем на два столетия определил развитиевсей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законыдвижения и дано определение пространства, времени, места и движения.

            Раскрывая сущностьпространства 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 кчему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.            Относительное, кажущееся, илиобыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняямера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинногоматематического времени, как то:  час,день, месяц, год...».

      <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">Абсолютноепространство по своей сущности, не связано с объектами, помещенными в него, и безотносительнок чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительноепространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, котораяопределяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, икоторое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Время ипространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Притаком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторымисамодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либоматериальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. УНьютона абсолютное  пространство и времяявляются ареной движения физических объектов.

            Этот взгляд близок ксубстанциональному пониманию пространства и времени, хотя у Ньютона они и неявляются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают лишь однимпризнаком субстанции — абсолютной самостоятельностью существования инезависимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важнымкачеством субстанции — способностью порождать различные тела, сохраняться в ихоснове при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь заматерией, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя — тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство ивремя и привел их в движение. Бог, являясь существом непространственным ивневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Онвечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлиннойсущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени, Бог существуетв вечности, которая является  атрибутомБога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, онсоздал мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время какусловия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный внем при творении божественный план развития и его существование прекратиться, авместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность какатрибут Бога и его бесконечная вездесущность. Подобные взгляды выражались ещеПлатоном, Аврелием, Августином, Фомой Аквинским и их последователями.

В этих воззрениях, даже с теологической точкизрения, содержаться глубокие противоречия. Ведь однократный акт творения мира иобреченность его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу,совершенству и мудрости Бога. Этим божественным атрибутам более соответствовалобы бесконечное множество актов творения самых различных миров, последовательносменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из них реализовываласьбы определенная идея, данная этому миру Богом, а все множество этих идейсоздавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идей, высказанные вобщем виде еще александрийским теологом Оригеном (IIIв. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в Новоевремя развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленнойгармонии в каждом из потенциально возможных миров. Лейбниц рассматривалпространство как порядок существования тел, а время — как порядок отношения ипоследовательность событий. Это понимание составило сущность реляционнойконцепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию какабсолютных и независящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.

Наряду с объективными представлениями опространстве – времени существовали и идеалистические концепции (Беркли, Мах,Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость отчеловеческого сознания, выводя их из способности человека переживать иупорядочивать события, располагать их одно после другого. Так, Кантрассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственногосозерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильностьгеометрии Евклида в течение двух тысячелетий.

            После  выхода в свет «Начал» Ньютонафизика начала активно развиваться,  причём этот процесс происходил на основе механистического подхода.Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая неукладывалась  в классическиепредставления о движении тел. После того, как физики пришли к  выводу о волновой природе света  вновь возникло понятие эфира  - среды в которой  светраспространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источниквторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной  твёрдостью и упругостью частиц эфира. Инымисловами эфир был материализацией  Ньютоновского абсолютного пространства.

Проблема пространства и времени была тесно связанас концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось какмгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустоеабсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодарябожественному проведению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс,Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженностивещества и эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в видеволн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого ипередавалось взаимодействие. Именно это понимание взаимодействия ипространства, развивавшееся в рамках классической физике, было унаследовано иразвито далее в XXвеке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности иквантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибутыматерии, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теорииотносительности А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционнуюконцепцию пространства и времени и давней ей естественнонаучное обоснование.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">

Специальная теория относительности, созданная в1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классическоймеханики Галелея — Ньютона и электродинамики Максвелла — Лоренца. “Онаописывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких кскорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движенияона сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается еечастным случаем”.<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;mso-fareast-language:EN-US;mso-bidi-language:AR-SA">[1]

            Исходным пунктом этойтеории стал принцип относительности. Классический принцип относительности былсформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики справедливы в однойсистеме координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейсяпрямолинейно и равномерно относительно первой.”<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;mso-fareast-language:EN-US;mso-bidi-language:AR-SA">[2]

            Галилей разъяснял этоположение различными наглядными примерами. Представим путешественника взакрытой каюте спокойно плывущего корабля. он не замечает никаких признаковдвижения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки,а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадетпрямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Из принципаотносительности следует, что между покоем и движением — есть оно равномерно ипрямолинейно — нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точкезрения. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает,что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, чтокорабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом стой же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или нет? Наэтот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто “да” или “нет”. Спор междупутешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если быкаждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зренияпартнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать,что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе скораблем. Таким образом, слово “относительно” в названии принципа Галилея нескрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, крометого, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой — всегдадвижение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это,конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакойразницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

            Если классический принципотносительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальныхсистемах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип былраспространен также на законы электродинамики, а общая теория относительностиутверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, какинерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета,движущиеся с замедлением или ускорением.

            В соответствии соспециальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время вединый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно — временныесвойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размерысокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скоростисвета в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются вбыстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

            Находясь в сопутствующейсистеме отсчета, то есть, двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии отизмеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называютсярелятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственныемасштабы и части будут меняться точно таким же образом. Согласно принципуотносительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекаютодинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффектыможно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский корабль типафотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения его на Землювремени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на Земле, и эторазличие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а скорость кораблябудет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже сотнями и тысячамилет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое илиотдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе сэкипажем выпала из хода развития на Земле.

            Подобные процессызамедления хода времени в зависимости от скорости движения реальнорегистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих пристолкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле.Мезоны существуют в течении 10-6 — 10-15 с (в зависимостиот типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшомрасстоянии от места рождения. Все это может быть зарегистрированоизмерительными устройствами по следам пробегов частиц. Но если мезон движетсясо скоростью, близкой к скорости света, то временные процессы в немзамедляются, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), исоответственно возрастает длина пробега от рождения до распада. Итак,специальная теория относительности базируется на расширенном принципеотносительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение:скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальныхсистемах отсчета. Но почему так важна эта скорость, что суждение о нейприравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесьсталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света — это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физическихвзаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Она былаустановлена XVXвеке, составив 300 000 км/с. Это огромная скорость по сравнению с обычнонаблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире.

Представим себе эксперимент: большой спутник движетсяпо орбите вокруг Земли, и с него, как с космодрома, запускается ракета — межпланетная станция к Венере. Запуск производится строго в направлениидвижения орбитального космодрома. Из законов классической механики следует, чтоотносительно Земли ракета будет иметь скорость, равную сумме двух скоростей:скорость ракеты относительно орбитального космодрома плюс скорость самогокосмодрома относительно Земли. Скорости движений складываются, и ракетаполучает довольно большую скорость, которая позволяет преодолеть притяжениеЗемли и улететь к Венере.

      <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">Другой эксперимент:со спутника испускается луч света по направлению его движения. Относительноспутника, откуда он испущен, свет распространяется со скоростью света. Каковаскорость распространения света относительно земли? Она остается такой же. Дажеесли свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположномнаправлении, то и тогда относительно Земли скорость света не изменится.   

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">Эксперимент, который  должен былпоказать изменение скорости света в движущихся телах  и соответственно  абсолютных  характер движения этих  тел, был выполнен в 1881 г. Майкельсоном (1852 — 1931). В последствии его не раз повторяли.  По существу, эксперимент Майкельсонасоответствовал сравнению скорости сигналов, идущих к экранам на корме и на носудвижущегося корабля,  но  в  качествекорабля была использована сама Земля, движущаяся в пространстве со скоростью около 30 км/сек.  Далее, сравнивали не скорость луча, догоняющего тело и луча,  идущегонавстречу телу,  а скоростьраспространения света в продольном и поперечном направлениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так называемоминтерферометре, один луч шел по направлению движения Земли — в продольном плечеинтерферометра,  а другой луч — впоперечном плече. Различие в скоростях этих лучей должно было  продемонстрировать зависимость скорости светав приборе от движения Земли.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">Результаты эксперимента Майкельсона оказались  отрицательными. На поверхности Земли светдвижется с одной и той же скоростью во всех направлениях.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">            Такойвывод  казался  крайне парадоксальным.  Он должен был привестик 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 неподвижноготела, 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 скоростьюотносительно встречного поезда, относительно поезда, идущего в том женаправлении,  относительно самогополотна, относительно пролетающего над ним самолета и т.д.,  или пассажир, который движется по вагонумчащегося поезда с одной и той  же  скоростью относительно вагона и относительноЗемли.

            Это — иллюстрация тоговажнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теорииотносительности. Движение света принципиально отличается от движения всехдругих тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегдаскладывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: ихвеличина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другимискоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужноуказывать систему отсчета. Абсолютность скорости света не противоречит принципуотносительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости — законприроды, а поэтому — именно в соответствии с принципом относительности — онсправедлив во всех инерциальных системах отсчета.

            Скорость света — этоверхний предел для скорости перемещения любых тел в природы, для скоростираспространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекордскорости. “Для всех физических процессов скорость света обладает свойствомбесконечной скорости. Для того чтобы сообщит телу скорость, равную скоростисвета, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физическиневозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат былподтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическаяэнергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становитсябесконечной для скорости, равной скорости света”<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;mso-fareast-language:EN-US;mso-bidi-language:AR-SA">[4]

            Со скорость света тесносвязано решение проблемы одновременности, которая тоже оказываетсяотносительной, то есть зависящей от точки зрения. В классической механике,которая считала время абсолютным, абсолютной является и одновременность. В  теории относительности Эйнштейна  вопросо свойствах и структуре  эфира трансформируетсяв вопрос о реальности  самого  эфира. Отрицательные   результаты   многих  экспериментов  по  обнаружению эфира  нашли  естественное  объяснение  в  теории относительности — эфир несуществует.  Отрицание существованияэфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности,которая  выступает как синтез механики иэлектродинамики.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">            Принципотносительности и принцип постоянства скорости света позволили  Эйнштейну перейти от теории Максвелла дляпокоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. ДалееЭйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие   одновременности лишено смысла: «Двасобытия,  одновременные при наблюдении изодной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при  рассмотрении из системы, движущейся относительноданной».

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">Коренным отличием специальной теории относительности от  предшествующих теорий является признаниепространства и времени в качестве  внутренних элементов движения материи, структура которых зависит отприроды самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна пространству и времени придаются новые свойства: относительностьдлины и временного промежутка, равноправность пространства и времени.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">            В1907-1908 гг. Герман Миньковский (1864 — 1908) придал теорииотносительности  весьма  стройную и  важную для последующего обобщениягеометрическую форму.  В статье«Принцип относительности» (1907) и в докладе «Пространство и время» (1908) теория Эйнштейнабыла сформулирована в виде учения об инвариантах  четырехмерной евклидовой геометрии.  У нас нет сейчас ни возможности, ни необходимостидавать сколько-нибудь строгое определение инварианта и  присоединить что-нибудь  новое к тому,  что уже было о нем сказано. Понятиемногомерного пространства,  в частностичетырехмерного пространства,  также  не требует здесь строгого определения; можноограничиться самыми краткими пояснениями.  Если перейти к иной системе отсчета, координаты каждой точки изменятся, но расстояние между  точками при  таком  координатном преобразовании не изменятся.Инвариантность расстояний при координатных преобразованиях может быть показана не только в геометрии на плоскости,но и в трехмерной геометрии.  Придвижении геометрической  фигуры  в пространстве координаты  точек меняются,  а расстояния между ними остаются неизменными.Как уже было сказано, существование инвариантов координатных  преобразований  можно назвать равноправностью системотсчета,  равноценностью точек,  в каждой можно  поместить начало координатной  системы, причем  п

www.ronl.ru

Реферат - Пространство и время как философские категории

Само по себе четырехмерное представление движения частицы может быть легко усвоено, оно кажется почти очевидным и, в сущности привычным. Всем известно, что реальные события определяются четырьмя числами: тремя пространственными координатами и временем, прошедшим до события с начала летосчисления, или с начала года, или от начала суток. Будем откладывать на листе бумаги по горизонтальной прямой место какого-либо события — расстояние этого места от начального пункта, например расстояние до точки, достигнутой поездом, от станции отправления. По вертикальной оси отложим время, когда поезд достиг этой точки, измеряя его с начала суток или с момента выхода поезда со станции отправления. Тогда мы получим график движения поезда в двумерном пространстве, на географической карте, лежащей на столе, а время показывать вертикалями над картой. Тогда мы не обойдемся чертежом, понадобится трехмерная модель, например проволока, укрепленная над картой. Она будет трехмерным графиком движения: высота проволоки в каждой точке над лежащей картой будет изображать время, а на самой карте проекция проволоки изобразит движение поезда по местности. Изобразим теперь не только перемещение поезда на плоскости, но и его подъемы и спуски, т.е. его движение в трехмерном пространстве. Тогда вертикали уже не могут изобразить время, они будут означать высоту поезда над уровнем моря. Где е откладывать время — четвертое измерение? Четырехмерный график нельзя построить и даже нельзя представить себе. Но математика уже давно умеет находить подобные геометрические величины, пользуясь аналитическим методом, производя вычисления. В формулы и вычисления наряду с тремя пространственными измерениями можно ввести четвертое — время и, отказавшись от наглядности, создать таким образом четырехмерную геометрию.

Если бы существовала мгновенная передача импульсов и вообще сигналов, то мы могли бы говорить о двух событиях, происшедших одновременно, т.е. отличающихся только пространственными координатами. Связь между событиями была бы физическим прообразом чисто пространственных трехмерных геометрических соотношений. Но Эйнштейн в 1905 г. отказался от понятий абсолютной одновременности и абсолютного, независимого от течения времени. Теория Эйнштейна исходит из ограниченности и относительности трехмерного, чисто пространственного представления о мире и вводит более точное пространственно-временное представление. С точки зрения теории относительности в картине мира должны фигурировать четыре координаты и ей должна соответствовать четырехмерная геометрия.

В 1908 г. Миньковский представил теорию относительности в форме четырехмерной геометрии. Он назвал пребывание частицы в точке, определенной четырьмя координатами, «событием», так как под событием в механике следует понимать нечто определенное в пространстве и во времени — пребывание частицы в определенной пространственной точке в определенный момент. Далее он назвал совокупность событий — пространственно-временное многообразие -«миром», так как действительный мир развертывается в пространстве и во времени. Линию, изображающую движение частицы, т.е. четырехмерную линию, каждая точка которой определяется четырьмя координатами, Миньковский назвал «мировой линией».

Длина отрезка «мировой линии» инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой, прямолинейно и равномерно движущейся по отношению к первой. В этом и состоит исходное утверждение теории относительности, из него можно получить все ее соотношения.

Следует подчеркнуть, что геометрические соотношения, с помощью которых Миньковский изложил теорию относительности, подчиняются Евклидовой геометрии. Мы можем получить соотношения теории относительности, предположив, что четырехмерное «расстояние» выражается таким же образом через четыре разности — три разности пространственных координат и время, прошедшее между событиями, — как и трехмерное расстояние выражается в евклидовой геометрии через разности пространственных координат. Для этого, как уже говорилось, необходимо только выразить время в особых единицах. Длина отрезка мировой линии определяется по правилам евклидовой геометрии, только не трехмерной, а четырехмерной. Ее квадрат равен сумме четырех квадратов приращений пространственных координат и времени. Иными словами, это — геометрическая сумма приращений четырех координат, из которых три — пространственные, а четвертая — время, измеренное особыми единицами. Мы можем назвать теорию относительности учением об инвариантах четырехмерной евклидовой геометрии. Поскольку время измеряется особыми единицами, то говорят о псевдоевклидовой четырехмерной геометрии.

Однородность пространства выражается в сохранении импульса, а однородность времени — в сохранении энергии. Можно ожидать, что в четырехмерной формулировке закон сохранении импульса и закон сохранения энергии сливаются в один закон сохранения энергии и импульса. Действительно, в теории относительности фигурирует такой объединенный закон импульса.

Однородность пространства-времени означает, что в природе нет выделенных пространственно-временных мировых точек. Нет события, которое было бы абсолютным началом четырехмерной, пространственно-временной системы отсчета. В свете идей, изложенных Эйнштейном в 1905 г., четырехмерное расстояние между мировыми точками, т.е. пространственно-временной интервал не будет меняться при совместном переносе этих точек вдоль мировой линии. Это значит, что пространственно-временная связь двух событий не зависит от того, какая мировая точка выбрана в качестве начала отсчета, и что любая мировая точка может играть роль подобного начала.

Однородность пространства стала исходной идеей науки после того, как Галилей и Декарт, сформулировав принцип инерции и принцип сохранения импульса, показали, что в мировом пространстве нет выделенной точки — начала привилегированной системы отсчета, что расстояния между телами и их взаимодействия не зависят от движения состоящей из этих тел материальной системы. Однородность времени стала исходной идеей науки после того, как физика XIX века, сформулировав принцип сохранения энергии, показала независимость процессов природы от их смещения во времени и отсутствие абсолютного начала отсчета времени. Теперь исходной идеей науки становится однородность пространства-времени.

Разделение на пространство и время не имеет смысла. Пространство и время в специальной теории относительности трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако когда Эйнштейн попытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчёта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект. Новая теория — общая теория относительности – строилась путём построения обобщённого пространства — времени и перехода от теоретической структуры исходной теории — специальной теории относительности — к теоретической структуре новой, обобщённой теории с последующей её эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.

Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии.

В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства, и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Эйнштейн усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности: «физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением». Принцип эквивалентности помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это — модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики — модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана). Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца — достаточно небольшой звезды по космическим мерка — влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала — при таком же вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчёта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея — Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым. Речь идет о следующем положении специальной теории относительности: "… двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определённой длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определённой величины, независимо от места и времени". Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.

В работе «Относительность и проблема пространства» Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности. Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное «тому, что заполняет пространство» и что зависит от координат. «Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля». Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.

Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам. Теория предсказала и объяснила три общелелятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было предсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

Рассмотрим далее релятивистскую космологию, именно с ней связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.

Классические представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом: вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени. Они являлись одним из следствий механики Ньютона — это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру евклидово. Такая модель казалась очень гармоничной и единственной, на уровне бытового сознания данная модель доминирует и в начале нашего 21-го века.

Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений (стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства), чтобы преодолеть противоречия. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.

Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного пространства — времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной. Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к признанию её однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна ли вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной — это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу — замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввёл в уравнения теории новый член с помощью которого во вселенную вводились новые силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.

Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра. Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н — постоянная Хаббла, L — расстояние. В связи с этим встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние «разбегание галактик» — наглядное обозначение раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики. Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство.

Вторая проблема связана с представлением о начале времени. Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t=0, когда произошёл так называемый «Большой взрыв», понятие времени до этого момента лишено физического, да и любого другого смысла".

В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчёта. Это положение особо чётко отразилось в представлениях о «чёрных дырах». Речь идет об одном из наиболее интересных явлений современной космологии — гравитационном коллапсе. С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают: «Расширение Вселенной во многих отношениях подобно коллапсу звезды, если не считать того, что направление времени при расширении обратное».

Как «начало» Вселенной, так и процессы в «чёрных дырах» связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда. Независимо от того, в каком состоянии космический объект пересёк соответствующую сферу Шварцшильда, далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного коллапса. После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство — время: образуется «чёрная дыра».

Между черной дырой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится за бесконечностью во времени. Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронной звезды, а вблизи черной дыры, у ее гравитационного радиуса, оно столь велико, что время там как бы замирает. Для тела, попадающего в поле тяготения черной дыры, образованной массой, равной 3 массам Солнца, падение с расстояния 1 млн. км до гравитационного радиуса занимает всего около часа. Но по часам, которые покоятся вдали от черной дыры, свободное падение тела в ее поле растянется во времени до бесконечности. Чем ближе падающее тело к гравитационному радиусу, тем более медленным будет представляться этот полет удаленному наблюдателю. Тело, наблюдаемое издалека, будет бесконечно долго приближаться к гравитационному радиусу и никогда не достигает его. В этом проявляется замедление времени вблизи черной дыры.

Таким образом, оказалось, что пространство — время в общей теории относительности содержит сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть концепцию пространственно — временного континуума как некоего дифференцируемого «гладкого» многообразия. Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку ( r -> 0 ), когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Это вызывает обоснованное сомнение. Некоторые ученные считают, что в заключительной стадии гравитационного коллапса вообще не существует пространства — времени. С. Хокинг пишет: «Сингулярность — это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства — времени. Этих представлений придерживаются большинство современных физиков.

На заключительных стадиях гравитационного коллапса вблизи следует принимать во внимание квантовые эффекты. Представляется, что они играют на этом уровне доминирующую роль и могут вообще не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области происходят субмикроскопические флуктуации материи, которые и составляют основу глубокого микромира.

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.

Пространство и время на уровне микромира.

В квантовой механике была найдена принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам. В квантовой физике была поставлена важная проблема о необходимости пересмотра пространственно – временных представлений классической физики. Они оказались лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование принципиальной неопределённости в состоянии объекта, наличие черт целостности и индивидуальности в микромире, что и выражалось в понятии универсального кванта действия h.

Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не создана обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды взаимодействий и специфические свойства пространственно — временных отношений. Область доступных в эксперименте микроскопических интервалов условно делится на четыре уровня:

1. уровень молекулярно — атомных явлений,

2. уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов,

3. уровень элементарных частиц,

4. уровень ультрамалых масштабов, где пространственно — временные отношения оказываются несколько иными, чем в физике макромира.

В этой области по-иному следует понимать природу пустоты — вакуум. В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглощающихся фотонов и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривают как особый вид материи — как поле в состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что так называемая „пустота“ — это одно из состояний материи.

На субатомном уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц. Здесь иные пространственно — временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого. Ещё более радикальных изменений пространственно — временных представлений требует переход к исследованию процессов, характерных для слабых взаимодействий. Поэтому на повестку дня встаёт вопрос о нарушении пространственной и временной чётности, т.е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными. В этих условиях были предприняты различные попытки принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно направление связано с изменением представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе — с гипотезой о возможной макроскопической природе пространства и времени.

Рассмотрим более подробно эти направления.

Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства и времени. После создания теории относительности и квантовой механики учёные попытались объединить эти две фундаментальные теории. Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое уравнение для электрона. Был получен неожиданный вывод о существовании антипода электрона — частицы с противоположным электрическим зарядом. В настоящее время известно, что каждой частице в природе соответствует античастица, это обусловлено фундаментальными положениями современной теории и связано с кардинальными свойствами пространства и времени (чётность пространства, отражение времени и т.д. ).

Исторически первой квантовой теорией поля была квантовая электродинамика, включающая в себя описание взаимодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого уровня развития и известной завершённости. Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно — временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечёт за собой существенные трудности, связанные с бесконечными значениями некоторых величин (масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д. ). Эти трудности учёные пытались преодолеть путём введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени. Такой подход намечает выход из неопределённости бесконечности, так как содержит фундаментальную длину — основу атомистического пространства.

В физике микромира широкое развитие получило также направление, связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя методами. При первом исходят из положения, что понятие локального взаимодействия лишено смысла. Второй основан на отрицании понятия точечной координаты пространства — времени, что приводит к теории квантового пространства — времени. Протяжённая элементарная частица обладает сложной динамической структурой. Подобная сложная структура микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учёные столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики элементарного и сложного в микромире. Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле: они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами. В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного.

Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечёт за собой изменение наших представлений о структуре пространства — времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения „раньше“ и „позже“. В области нелокального взаимодействия события связаны в некий „комок“, в котором они взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.

Таково принципиальное положение дел, сложившееся в представление о пространстве – времени на микроуровне, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства — времени на области „малые“, где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в теории новой константы размерности длины — элементарной длины. С этим „атомом“ пространства связан и элементарный момент времени (хронон), и именно в соответствующей им пространственно — временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц. Теория дискретного пространства — времени продолжает развиваться. Открытым остаётся вопрос о внутренней структуре „атомов“ пространства и роли (наличии) времени и пространства в них.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема времени и пространства всегда интересовала человека не только в рациональном, но и на эмоциональном уровне. Люди не только сожалеют о прошлом, но и боятся будущего, не в последнюю очередь потому, что неотвратимый поток времени влечет к их смерти. Человечество в лице своих выдающихся деятелей на протяжении всей своей сознательной истории задумалось над проблемами пространства и времени, немногим из них удалось создать свои теории, описывающие данные фундаментальные атрибуты бытия. Пространство и время лежат в основе нашей картины мира.

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. Тем не менее, как показывает, в том числе и эта работа, вопрос познания пространства и времени, их природы, взаимосвязи и даже наличия во многом остается открытым. Представляется уместным привести высказывание основоположника современного представления о пространстве и времени А. Эйнштейна, – «пространство и время являются способом, которым мы мыслим, а не условиями, в которых мы живем», в котором во многом отразилась противоречивость и нерешенность проблемы.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Аскин Я. Проблема времени. Её физическое истолкование. — М., 1986 г.

2. Ахундов М. Концепции пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы. — М., 1982 г.

3. Ахундов М. Пространство и время в физическом познании. — М., 1982 г.

4. Еремеева А. Астрономическая картина мира и ее творцы. — М., 1984 г.

5. Рейхенбах Г. Философия пространства и времени. — М., 1985 г.

6. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I. Работы по теории относительности 1905-1920. — М., 1965 г.

7. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. — М., 1967 г.

[1] Еремеева А. И. Астрономическая картина мира и ее творцы. — М.: Наука, 1984. С. 157

[2] Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюйия физики. -С. 130.

[3] Там же. — С. 126.

[4] Рейхенбах Г. Философия пространства и времени. — М.: Наука, 1985. С. 225.