Пространство и время

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 

     Представления о пространстве и времени не всегда так сильно зависели от физико-геометрических знаний, как это характерно для сегодняшнего сознания, что дает повод задуматься о том, а не являются ли они также моментом исторического развития, который, возможно, будет преодолен, и не рано ли мы отбросили те представления о них, которые господствовали в более ранние моменты человеческой культуры.

     Стремление  понять окружающий мир, представить  его структуру, сформулировать частные  и общие законы его существования  и развития на основе изучения взаимосвязей между природными явлениями и процессами всегда было присуще человечеству.

     Так, древние греки создали две  точные науки: геометрию, выросшую из техники  землемерия, и астрономию, вызванную  к жизни необходимостью измерять время.

     Постепенно  человек научился создавать приборы  и системы для получения объективной информации об окружающем мире.

В связи  с этим целью данного реферата является рассмотрение и изучение развития представлений о пространстве и времени.

     В соответствии с поставленной целью в работе предполагается решить следующие задачи:

- рассмотреть этапы развития представлений о пространстве и времени;

-  выявить характерные черты отдельно взятых этапов развития представлений о пространстве и времени. 

1. Представления о пространстве 

1.1. Эволюция базовых понятий пространства

     В первобытном сознании, проникнутом  представлениями мифопоэтического мышления, пространство выступает как  некоторая противоположность «не пространству», т.е. хаосу - некоторому образованию, в котором еще отсутствует порядок. Хаос - потенциальный прообраз пространства, некая бездна, пустота, в которой все пребывает.

     Из  свойства пространства древние отмечали, прежде всего, это свойство развертывания, растекания, распространения пространства по отношению к особому мировому центру, как некой точке, «из которой совершается или некогда совершилось это развертывание и через которую как бы проходит стрела развития, ось разворота». И в современном языке, в частности в русском, пространство ассоциируется с понятиями, обозначающими расширение, открытость.

     Кроме того, что пространство развертывается, оно состоит из частей, упорядоченных  определенным образом. Поэтому познание пространства изначально основано на двух противоположных операциях - анализе (членении) и синтезе (соединении).

     Более позднее понимание пространства - это понимание его как «относительно однородного и равного самому себе в своих частях», что в свою очередь приводит к идее его измерения. Однако основной характеристикой пространства все же остается разнородность и прерывность.

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.

     Коренное  изменение пространственной и всей физической картины произошло в  гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Подлинная революция в механике связана с именем Г. Галилея. Он ввел в механику точный качественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им принцип классической механики – принцип относительности Галилея.

     Евклид построил геометрию трехмерного пространства, известную в научном обиходе как евклидова геометрия. Для определения положения в пространстве Рене Декарт (1596—1650) ввел прямоугольную систему координат ("декартовы координаты") - х, у, z. Физический мир Декарта состоит из двух сущностей: материи (простой "протяженности, наделенной формой") и движения. Поскольку "природа не терпит пустоты" (Аристотель), у него протяженность заполнена "тонкой материей", которую Бог наделил непрерывным движением. Установив законы движения, Декарт записал механически все мировые процессы и на основе своих законов движения построил "космологический роман" (трактаты "Мир" и "Начала философии").

Декартово представление о флюидах, заполняющих  пространство, господствовало в науке XIX и частично XX вв., оказав существенное влияние на развитие таких разделов физики, как оптика и электричество. Вес, как и любая сила, у Декарта является свойством движения тонкой материи, отождествляемой с пространством. Поэтому механицизм Декарта сводит силы к свойствам пространства.

     Таким образом, развитие представлений о  пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени.

     Исаак Ньютон (1643—1727) открыл новые свойства пространства, изучая движение перемещающихся тел. Он рассматривал пространство как субстанцию, способную динамически действовать на материальные тела. Модель пространства, предложенная Ньютоном, — это модель независимо существующей субстанции, в которой могут перемещаться материальные тела и частицы света. Поэтому каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если эти события произошли в разные моменты времени. Определить положение тела в пространстве можно только относительно системы каких-то объектов, поэтому имеет смысл говорить о скорости объекта в пространстве, поскольку ощущается лишь неравномерное движение (а не движение с постоянной скоростью).

     После создания теории электромагнетизма  Максвелла появилась возможность использовать оптические явления - распространение световых сигналов — для измерения скорости движения в пространстве. Это движение можно было определить по его перемещению относительно эфира - некоей жидкости, заполняющей пространство.

     Теория  Максвелла предсказывала, что свет распространяется в эфире с постоянной скоростью, зависящей от "упругости" эфира. Тогда скорость света, измеренная наблюдателем, должна быть разной в зависимости от того, в каком направлении свет распространяется - по течению в эфире или против. Но опыт, проведенный в 1887г. Альбертом Майкельсоном (1852-1931) и Эдвардом Морли (1838-1923), показал, что эффекта, связанного с эфиром, нет, т.е. и нет самого эфира. 

1.2. Теория пространства

     Стало ясно, что необходимо отказаться от наглядных и привычных ньютоновых представлений о пространстве и  времени, и в 1905г. Альберт Эйнштейн (1879-1955) предложил совершенно новую теорию пространства и времени - так называемую специальную теорию относительности (СТО). Основу его теории составляют два постулата: 1) - скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света;                    2) - все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Принятие этих принципов означало изменение длин и времен в соответствии с преобразованиями Лоренца для тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Это было уже кардинальное преобразование наглядных представлений. Время и пространство объединяются в 4-мерное пространство-время.

     В 1916г. Эйнштейн включил СТО в свою общую теорию относительности (ОТО), или обобщенную теорию тяготения. Свойства пространства и времени в его теории определяются распределением и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тяготеющих масс, а следовательно, и поля тяготения, пространство искривляется, становится неевклидовым.

     В отличие от теории гравитации Ньютона, теория Эйнштейна претендует на теорию пространства-времени, т. е. на теорию Вселенной в целом. 

2. Представления о времени 

2.1. История развития  представлений о времени

     Говоря  о "времени", люди употребляют это слово в самых различных смыслах. Время связано с обычной, повседневной жизнью, оно непосредственно доступно нашему сознанию, формируя наши ощущения, взгляды, язык. В житейском понимании время воспринимается как поток, переход из прошлого в будущее, переносящий наше "теперь" и "сейчас" в другой мир, оно наполнено действием в отличие от неподвижного и пустого пространства, "вместилища" событий.

     Понимание времени, увлекающего мир в непрерывное  движение, наиболее ярко выразил Гераклит (ок. 530 - 470 до н. э.): "В одну реку нельзя войти дважды", "Все течет, все изменяется", "Мир является совокупностью событий, а не вещей". Законы природы неизменны, они сохраняются в любом месте и в любое время. У Прокла (ок. 410 - 485 до н. э.) геометрические рассуждения: "Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Оно ограничено и описывает окружность. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно".

     У Платона (ок. 428 - 347 до н. э.) течение времени, его причина и происхождение связывались с Вселенной. Он писал: "Поскольку день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной". В своем трактате "О спирали" Архимед показывал, что спираль соединяет цикличность с поступательным движением. Узор из спирали с солнцами был найден на остатках кувшинов неолита и на древнем календаре - жезле из бивня мамонта, найденном недавно в Восточной Сибири. Археологи истолковывают эти узоры как отображение идеи Времени. 

2.2. Физическая теория  времени

     Первая  физическая теория времени дана в "Началах" Ньютона, причем он ставит время первым среди основных понятий физики, за ним следуют пространство, место и движение. Это было в XVII столетии, когда формировалась современная наука и когда происходило резкое разграничение точных и описательных дисциплин.

     Определение Ньютона таково: "Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью". Абсолютное время - идеальная мера длительности всех механических процессов. Как мы не наблюдаем истинно равномерного движения из-за трения или других причин, так и измерять время можно только приближаясь к истинному, математическому, входящему в уравнения. Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов, и в частности, что точка отсчета времени, его начала не имеет значения. Длительность времени от этого не меняется. То же можно сказать и о пространственных симметриях классической механики. В пространстве нет ни выделенных точек, ни выделенных направлений, т. е. оно однородно и изотропно.

     Фактически  все картины мира, рожденные точной наукой, освобождены от развития, "отрицают время". Ньютон не только исключил время из своей картины Вселенной, но и утвердил его в сознании как внешний параметр. Стало возможным рассматривать непрерывные периодические процессы равной длительности для построения модели, легко вводить метрику времени. Это позволило построить всю систему мира, подтвердить впечатляющие предсказания теории Ньютона для Вселенной. Г. Лейбниц считал время относительным, "порядком последовательностей". В других естественных науках, например в геологии, время рассматривалось совершенно иначе. Так, основоположник геологии датчанин Нильс Стенсен (1638 - 1686) строил пространственные отношения на основе не движения или перемещения тел в нем, а с точки зрения временной последовательности "раньше  - позже". Этот подход естествен для геолога, рассматривающего историю планеты через наслоения в камне. 

2.3. Типологическая концепция времени.

     Указанная концепция имеет место, например, в биологии и геологии. Здесь нет физической равномерности протекания, а, напротив, приходится оперировать понятиями эпохи, эры, геологического периода, стадий индивидуального развития и т.д. «Например, каждый геологический период характеризуется своей флорой и фауной, каждое время года - определенными  фенофазами растений, каждая стадия развития животного - характерным набором морфологических и физиологических признаков. Время оказывается не вместилищем мира, а самой его тканью, оно не фон, на котором происходит изменение объекта, а само это изменение».

       В рамках данного понимания  выделяется психологическое время  как особое изменчивое состояние  наблюдателя за соответствующими  геологическими или биологическими  процессами. Это связано с тем, что время протекания жизни наблюдателя не соотносится по масштабам, например, с периодами протекания геологических процессов.