Пространство и время

Реферат на тему «Пространство и время»

Развитие представлений о пространстве и времени

В доньютоновский период

  Пространство и время являются основными категориями в физике, ибо большинство физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В тоже время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную историю, важное место занимают как учения Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции. Большое влияние на формирование понятий пространства и времени как научных категорий сыграла пифагорейская школа. «Вселенная втягивает из беспредельного время, дыхание и пустоту», -  говорит Пифагор. Причем пустота у пифагорейцев не имеет такого острого понятия как у атомистов, это - скорее, неоформленное, безграничное пространство. В этом беспредельном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь Космос. Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что геометрической интерпретации означает линию; линия, вытягиваясь в ширину, порождает число 3 - плоскость; плоскость, вытягиваясь в высоту, порождает число 4 - объем. Таким образом, уже пифагорейцы, описывая Космос, осознают (воспринимаемый нами с самого раннего детства как очевидный) факт трехмерности пространства, в котором мы живем.

  Платон, развивая учение пифагорейцев о математическом начале мира, впервые в античной науке вводит понятие геометрического пространства. До Платона в античной науке пространство не рассматривалось как самостоятельна категория, отдельно от его наполнения. Платон же помещает между идеями и чувственным миром геометрическое пространство, рассматривая его как нечто среднее, «промежуточное» между ними. Пространство воспринимается им как «интеллигибельная материя». Если математические числа - это чисто идеальные сущности, то всевозможные математические объекты - сущности промежуточные и получаются они путем соединения числа и материи. Сформировав впервые в истории науки философию объективного идеализма, признавая идеи - первичными сущностями (бытием), Платон тем не менее считал, что идея (единое) не может не существовать, не быть познанной без соотнесенности с другими, с материей, представляющей собой множество чувственно воспринимаемых вещей. Таким образом, Платон рассматривает 3 реальности: бытие - сфера идеального;

Возникновение - сфера чувственных вещей;

Пространство - не идеальное и не чувственное.

Соответственно математика выполняет роль посредника между сферами чувственного и идеального бытия; геометрические же объекты являются результатом сращивания идеи с интеллигибельной материей, то есть с пространством. Платон приводит классификацию математики, делит ее на 4 части:

арифметику,

геометрию,

геометрию, изучающую тела, имеющие три измерения,

и астрономию. Так что философия Платона так же использует представления о трехмерности пространства. Познать природные элементы, по Платону, это значит познать их геометрически, то есть определить их пространственное образование. Поэтому и атомы Платона, соответствующие 4 стихиям: огонь, воздух, вода и земля, различны, ибо представляют собой различные геометрические многоугольники: атомы Земли имеют форму куба, огня - форму тетраэдра (четырехугольника), воздуха - форму октаэдра (восьмиугольника), воды - Фому икосаэдра (двадцатигранник). Учение Платона может быть рассмотрено как попытка геометризации мира.

  Платоново - пифагорейская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в работах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и Евклида. В главном труде Евклида - «Началах» -- излагаются основные свойства пространства и пространственных фигур.

  В современной науке широко используется понятие евклидового пространства как плоского пространства трех измерений. Систематическое изучение пространства и пространственных фигур греками было подчинено главной цели - исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы.

  Следует отметить, что на ряду с понятием пространства в Древней Греции были выработаны такие понятия как пустота и эфир. Эти понятия неразрывно связаны с представлениями о свойствах пространства, принятие или не принятие их как основополагающих в структуре науки, о чем свидетельствуют катаклизмы, происходящие в физике на протяжении всего ее развития, в особенности на рубеже XIX-XX вв.

  В эпоху возрождения достигается осознание взаимосвязи между механикой и геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к представлению о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении развития физики как стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходных понятий науки. Однако каковы особенности и характерные черты этого пространства? Заполнено оно эфиром или является пустым? Вопрос этот не был праздным, решение его играло роль глубинной предпосылки построения в дальнейшем его каркаса ньютоновской физики. Леонардо да Винчи и другие мыслители эпохи Возрождения вплотную подходили к формулированию принципа инерции, но не могли сделать последнего шага, так как не представляли себе движения в абсолютной пустоте, где движущееся тело не встречает никакого сопротивления. Шаг этот сделал Галилео Галилей. Не случайно, историки науки связывают его с именем Галилея возникновения физики как самостоятельной научной дисциплины, потому что именно Галилей применил научный метод исследования, в основе которого лежал научный эксперимент с характерной для него чертой - идеализацией ситуации, позволяющей устанавливать точные математические закономерности явлений природы. Признание им существования пустоты позволило ему объяснить равные скорости падания различных тел и сформулировать принцип инерции. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой» в «Дне втором» Галилей формулирует два основных типа механики - принцип инерции и принцип относительности.

  По существу, эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку получили в механике Ньютона. Жизнь и творчество Галилея подготовили как в методологическом, так и в научном плане почву для свершений Исаака Ньютона, положивших начало новой эре в науке в целом и не утративших своего непреходящего значения в наши дни. Однако для более полного представления том, какую роль в физике Ньютона играют понятия пространства и времени, необходимо рассмотреть точку зрения на эти понятия еще одного выдающегося мыслителя Нового времени Рене Декарта.

  Основная задача, поставленная Декартом, -- математизация физики, точнее ее геометризация по типу евклидовой геометрии. Изучение физического мира возможно только с помощью математики. «Из всех, кто когда-либо занимался поиском истины в науках, только математикам удалось получить некие доказательства, то есть указать причины, очевидные и достоверные»,- говорит он в «Рассуждении о методе». Следовательно, и физика должна опираться на небольшое число аксиом, из которых дедуктивно выводится упорядоченная последовательность выводов, обладающих той же степенью достоверности, что и первичные аксиомы. Объективный мир, по Декарту, не что иное как материализованное пространство или воплощенная геометрия. Из тождественности материи и пространства Декарт делает вывод бесконечной делимости материи и, следовательно, о не существовании неделимых атомов и пустоты. В мире не существует пустого пространства, ибо в этом случае существовала бы материальная протяженность. Протяженность материальна, следовательно, пространство заполнено субстанцией. Форма тел сводится к протяженности, масса сводится к геометрическому пространственному объему тела, индивидуальность которого проявляется только в движении. Разграничение собственного тела и пространства представляется следствием различных скоростей частей пространства. Итак, фундаментальными свойствами материи являются протяженность и движение в пространстве и во времени. И эти свойства могут быть строго описаны математически. «Дайте мне протяженность и движение, и я построю вселенную», -- таков основной тезис Декарта. Отрицая пустоту, Декарт постулирует существование эфира. Позиция Декарта как геометра физики предпослала создание им новой области математики - аналитической геометрии. Он вводит координатную систему, известную как декартова система координат, а также представление о переменной величине. Иными словами, в математику проникает движение, что само по себе подготавливает почву для возникновения дифференцированного и интегрального исчисления.

В истории науки

Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, один из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач философ из г. Акраганта Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

Некоторые философы, в том числе и Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений.

В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве.

Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании до XVI века. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и марах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности к расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...» (Бруно Дж. О бесконечности, Вселенной и мирах. - М.: ОГИЗ, 1936 -.68.)  Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

Практическое обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» Кеплера и небесной механике Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представления о их эллиптических орбитах. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.

Подлинная революция в механике связана с именем Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики - принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся ил движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются интегральными. Математические преобразования Галилея отражают движения в двух интегральных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Декарта, который создал первую универсальную физико-космическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическими воздействиями элементарных материальных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия.

Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названую впоследствии ее именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отожествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отожествлял пространство с протяженностью.

Декарт развил так же представление о соотношении длительности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же - соприсуще человеку и поэтому является модулем мышления». «...Время, которое мы отличаем от длительности, -- пишет Декарт в «Началах философии», -- есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим...» (Декарт Р. Избранные произведения. - М.: Госполитиздат, 1950. - С.451.)

Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае может существовать множество космических объектов - центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

В 1687 году вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии. Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.