Развитие представлений о свойствах пространстве и времени в математике и физике в XIX-XX вв.

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНАЯ АКАДЕМИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ

 

Факультет

Специальность

Кафедра

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ  О СВОЙСТВАХ ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ  В МАТЕМАТИКЕ И ФИЗИКЕ В XIX-XX ВВ.

 

ВАРИАНТ №

 

 

 

 

Студент Группа	подпись дата
Преподаватель	подпись дата

 

 

Хабаровск 2010 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….….... РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ – ВРЕМЕНИ ДО НАЧАЛА 20-ГО ВЕКА…………………………………………………. Понятие пространства и времени в античной философии…………………. Развитие представлений о пространстве и времени в классической физике…………………………………………………………………………. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ………………………………………….. Специальная теория относительности………………………………………. Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии…………………………………………………. Пространство и время на уровне микромира……………………………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………….. СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ………………

3   4 4   6   9 9   14 20 23 24

 

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. 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.

Начинать исследование целесообразно  с представлений античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных представлений  вплоть до наших дней.

 

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

 

1. 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 [11, C. 57]. 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 [7, C. 111]. Аристотелю удалось создать самую совершенную, для своего времени модель пространства – времени, просуществовавшую более двух тысячелетий.

 

2. 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...» [2, C. 136].

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 (IIIв. 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 [3, C. 201]. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.