Основные концепции пространства и времени

Основные концепции  пространства и времени.

 

Вейник Е.В.

 

Рукопись, 27 ноября 2007 года.

 

Содержание.

 

1. Категорийные концепции - субстанциальная и реляционная.

2. Релятивистская концепция пространства-времени.

3. Пространство-время – искусственно  совмещенный континуум.

4. Гипотезы о материальности  пространства и времени.

4.1. Вейник о пространстве.

4.2. Вейник о времени.

4.3. Козырев о времени.

5. Тела вне пространства и/или  времени.

Послесловие.

Литература.

 

 

1. Категорийные концепции  - субстанциальная и реляционная.

 

В истории философии существуют две точки зрения об отношении  пространства и времени к материи  [1, стр.450]. Первую из них можно условно назвать субстанциальной (от лат. substantia - то, что лежит в основе; сущность) концепцией. В ней пространство и время трактовались как самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от неё. Соответственно отношение между пространством, временем и материей представлялось как отношение между двумя видами самостоятельных субстанций. Это вело к выводу о независимости свойств пространства и времени от характера протекающих в них материальных процессов.

Вторую концепцию именуют реляционной (от лат. relatio – отношение). Её сторонники понимали пространство и время не как самостоятельные сущности, а как системы отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами. Вне этой системы взаимодействий пространство и время считались несуществующими. В этой концепции пространство и время выступали как общие формы координации материальных объектов и их состояний. Соответственно допускалась и зависимость свойств пространства и времени от характера взаимодействия материальных систем.

С точки зрения признания объективности  пространства и времени обе эти  концепции равноценны. Если говорить об их естественнонаучной обоснованности, то в XVII-XIX веках явное преимущество было на стороне субстанциальной концепции; именно она лежала в основе ньютоновской механики, принимавшейся в то время за образец точной науки. В электродинамике в пользу существования абсолютного пространства свидетельствовала гипотеза светоносного эфира, который заполняет абсолютное пространство и является носителем электромагнитных волн. Наконец, сильнейшим свидетельством в пользу субстанциальной концепции пространства был факт единственности эвклидовой геометрии. А это как бы подтверждало вывод, следовавший из субстанциальной концепции, что свойства пространства и времени неизменны и независимы от характера движения и взаимодействия материальных систем.

Сходство (равноценность) и различие субстанциальной и реляционной концепций можно пояснить на следующем аллегорическом примере. Субстанциальность – категория, которая рассматривает пространство и время как декорации, на фоне которых происходит вселенское действо – движение голой материи. Реляционность – категория, которая рассматривает пространство и время как костюмы участников вселенского действа, происходящего на голой сцене. Обе категории удовлетворительно отражают единообразную особенность движущейся материи, но каждая придает её свой колорит. Именно поэтому субстанциальную и реляционную концепции правильнее именовать разновидностями одной категорийной концепции пространства и времени, тем более, если учесть известное определение понятия "категории" [2]:

"Категории (от греч. kategoria – высказывание, признак) в философии, предельно общие, фундаментальные понятия, отражающие наиболее существенные, закономерные связи и отношения реальной действительности и познания. Будучи формами и устойчивыми организующими принципами процесса мышления, категории воспроизводят свойства и отношения бытия и познания во всеобщей и наиболее концентрированной форме".

 

2. Релятивистская концепция.

 

Общепринятое мнение [3]: "Вещество и пустое пространство - наполненное и пустота - представляют собой два фундаментально различающихся понятия, на которых построен атомизм Демокрита и Ньютона. В общей теории относительности эти два понятия превращаются в одно. Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, проявляющего себя в искривлении окружающего это тело пространства. Не следует, тем не менее, считать, что поле "наполняет" пространство, и тем самым искривляет его. Одно не может быть отдельным от другого: поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и структура, или геометрия, пространства воспринимается как одно и то же понятие. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. Следовательно, в теории Эйнштейна вещество не мыслится вне этого гравитационного поля, а гравитационное поле не мыслится без искривленного пространства. Таким образом, вещество и пространство воспринимаются как непрерывно связанные понятия и даже более того, - как взаимосвязанные частицы единого целого".

Пространство и время представляют собой формы, выражающие определенные способы координации материальных объектов и их состояний [1]. Содержанием этих форм является движущаяся материя, материальные процессы, и именно особенности и характер последних определяют их основные свойства. Кроме того, наличие у пространства и времени единого содержания - движущейся материи - указывает и на взаимосвязь между самим пространством и временем, на невозможность их существования абсолютно независимо друг от друга.

СТО возникла как результат попыток А. Эйнштейна распространить действие физического принципа относительности, известного еще со времен Галилея, на законы электродинамики, которые рассматривались как противоречащие последнему. Эйнштейн справился с этой задачей, но цена, которую он был вынужден заплатить за обобщение принципа физической относительности и распространение его на все законы физики, заключалась в пересмотре ньютоновских пространственно-временных представлений. СТО показала, что многие пространственно-временные свойства, считавшиеся до сих пор неизменными, абсолютными, фактически являются относительными. Так, в СТО утратили свой абсолютный характер такие пространственно-временные характеристики, как длина, временной интервал, понятие одновременности. Все эти характеристики оказались зависящими от взаимного движения материальных объектов.

Если в СТО принцип относительности  был связан только с инерциальными  системами отсчета, то общая теория относительности явилась результатом  распространения действия принципа относительности и на неинерциальные системы отсчета. Это в свою очередь привело к установлению тесной зависимости метрических свойств пространства-времени от гравитационных взаимодействий между материальными объектами. В СТО было установлено, что геометрические свойства пространства-времени зависят от распределения в них гравитационных масс. Вблизи тяжелых объектов геометрические свойства пространства начинают отклоняться от эвклидовых, а темп течения времени замедляется.

Считается, что основное философское  значение теории относительности состоит в следующем:

1. Теория относительности исключила  из науки понятия абсолютного  пространства и абсолютного времени,  обнаружив тем самым несостоятельность  субстанциальной трактовки пространства  и времени как самостоятельных,  независимых от материи форм бытия.

2. Она показала зависимость пространственно-временных  свойств от характера движения  и взаимодействия материальных  систем, подтвердила правильность  трактовки пространства и времени  как основных форм существования  материи, в качестве содержания которых выступает движущаяся материя.

3. Теория относительности категорически  отвергла субъективистские, априористские  трактовки сущности пространства  и времени, которые противоречили  её выводам.

Говоря о том, что теория относительности подтвердила понимание пространства и времени как коренных форм существования материи, нельзя думать, что теория относительности положила конец философским спорам об истолковании пространства и времени. Решив одни проблемы, теория относительности поставила другие. Философские споры вокруг теории относительности возникли сразу же при её создании и не утихают по настоящее время.

Наиболее ретивые последователи  А. Эйнштейна и Х.А. Лоренца вообще считают время чуть ли не свойством  пространства. И опять возникает неоднозначность понятия времени, как отголосок субстанциальных концепций. Время не может быть производным от пространства. Это пространство производно от материи. Именно материальные вещи своей протяженностью порождают пространство. Когда корреспондент американской газеты "Нью-Йорк Тайме" в апреле 1921 г. спросил Эйнштейна, в чем суть теории относительности, он ответил: "Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время". Но материя не может быть недвижущейся, и только движение материи, её постоянное изменение, взаимодействие материальных объектов требует временной характеристики. Время свойство движения.

Ряд философски мыслящих ученых попытались развить субъективистские версии трактовки  пространства и времени, опираясь на теорию относительности. Связь пространства и времени с тяготением была истолкована  как их полная тождественность, что  привело к попыткам геометризации всех других видов физических полей (основание для такой трактовки физических полей дал сам Эйнштейн). Такой подход к пониманию сущности пространства и времени вел к пониманию пространства и времени как исходной физической реальности, исходной субстанции, которая порождает, обусловливает все физические свойства реального мира. Подобно тому, как в концепции энергетизма исходным понятием оказалось движение, оторванное от понятия материи, в геометрической картине мира исходной субстанцией оказались пространство и время, оторванные от материи.

Общие свойства, характеризующие пространство и время, вытекают из их характеристик  как основных, коренных форм существования  материи. К свойствам пространства относятся протяженность, однородность, изотропность, трехмерность. Время обычно характеризуется такими свойствами, как длительность, однородность, необратимость, одномерность.

Что касается таких свойств, как  длительность времени и протяженность  пространства, то их трудно называть свойствами, поскольку они совпадают с самой сущностью пространства и времени. Ведь протяженность и проявляется в способности тел существовать одно подле другого, а длительность в способности существовать одно после другого, что и выражает сущность пространства и времени как форм существования материи.

К наиболее характерным свойствам  пространства относится его трехмерность. Положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин. Время одномерно, ибо для фиксации положения события во времени достаточно одной величины. Под заданием положения события, объекта в пространстве или времени имеется в виду определение его координат по отношению к другим событиям и объектам. Факт трехмерности реального физического пространства не противоречит существованию в науке понятия многомерного пространства с любым числом измерений. Понятие многомерного пространства является чисто математическим понятием, которое может быть использовано для описания взаимосвязи различного рода физических величин, характеризующих реальные процессы. Если же речь идет о фиксации события в реальном физическом пространстве, то при использовании любой системы координат трех измерений всегда будет достаточно. И хотя до сих пор вопрос об обосновании трехмерности пространства является открытым вопросом, решение его должно лежать в установлении связи трехмерности с фундаментальными физическими процессами.

К специфическим свойством пространства относятся однородность и изотропность. Однородность пространства означает отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, а изотропность - равноправность всех возможных направлений. В отличие от пространства время обладает только свойством однородности, заключающимся в равноправии всех его моментов. Свойства однородности пространства и времени и изотропности пространства теснейшим образом связаны с фундаментальными физическими законами, и прежде всего с законами сохранения. Они и лежат в основании самого принципа физической относительности.

Характерным специфическим свойством  времени является его необратимость, которая проявляется в невозможности возврата в прошлое. Время течет от прошлого через настоящее к будущему, и обратное течение его невозможно. Необратимость времени связана с необратимостью протекания фундаментальных материальных процессов. Некоторые философы усматривают связь необратимости времени с необратимостью термодинамических процессов и с действием закона возрастания энтропии. В микрофизике необратимость времени связывается с характером законов квантовой механики. Существуют также космологические подходы к обоснованию необратимости времени. Наиболее широкое распространение получила причинная концепция времени; её сторонники считают, что при обратном течении времени причинная связь оказывалась бы невозможной.

Специфично проявление времени  и пространства в микромире, живой природе, в социальной действительности, в связи с чем специально анализируется биологическое время, психологическое время, социальное пространство-время и другие виды времени и пространств.

 

3. Пространство-время  – искусственно совмещенный континуум.

 

Во всей истории изучения материи  и способов её разложения на составляющие элементы (например, на формы движения материи) есть одна тонкость, которая  в начале прошлого века переросла  в глобальную катастрофу не только для физики, но и для науки в целом.

Спокон веку пространство и время  рассматривались как некие совершенно самостоятельные сущности, стоящие  поодаль от материи. Фактически получалось, что кроме движущейся материи  существовало ещё два нечто, на фоне или внутри которых совершались все мыслимые и немыслимые явления природы. Это несколько диссонировало с основополагающей идеей диалектического материализма о всеобщей и полной материальности, но никто на это внимания не обращал.

ХХ век сильно встряхнул вялотекущие  обсуждение и мелкие уточнения понятий пространства и времени. Попытка объяснить частную модельную гипотезу нидерландского физика Х.А. Лоренца, доказывающую инвариантность уравнений Максвелла, подтолкнула французского математика А. Пуанкаре (1905) к наделению пространства свойством четырехмерности. Зачем? Чтобы с помощью передовых  на то время математических приемов связать пространство и время воедино, добавив в инвариант четвертую координату, но превратив пространственную во временную, к тому же ещё и мнимую! Думаете нереально? Легко, если вспомнить, что незадолго до этого итальянский математик Э. Бельтрами (1868) впервые продемонстрировал миру могущество изрядно подзабытой "воображаемой" геометрии Н.И. Лобачевского (1826). Всего лишь было нужно знаменитый радикал (корень квадратный) Лоренца Ö1-(v/c)² сделать похожим на радикал гиперболического косинуса! Полная же тождественность двух радикалов с далеко идущими физическими последствиями была обеспечена введением нескольких дополнительных искусственных постулатов, что позволило превратить обыкновенный математический параметр у/х  в приемлемое для преобразований Лоренца отношение v/c.