Развитие представлений о пространстве и времени

Для обыденных представлений пространство и время – нечто привычное, известное и очевидное. С самых первых дней после своего появления на свет ребенок начинает осознавать, что существуют разные направления в окружающем его мире. Вначале - это верх и низ, когда ребенок начинает вставать, возникает ощущение переда и зада. В более старшем возрасте различают правую и левую стороны. Тогда же осознается факт, что любой предмет занимает определенное место относительно других объектов, граничит с ними. Так постепенно, через осознание предельно общих свойств, отражающих структурную организацию окружающего нас мира, на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности складывается понятие пространства.

Понятие о времени также складывается еще в детском возрасте, но позже, чем представление о пространстве. Примерно с пяти лет ребенок начинает замечать смену дня и ночи. Несколько позже становится понятным деление суток на утро, день, вечер и ночь. Тогда же появляется представление о течении времени, о существовании сегодняшнего, вчерашнего и завтрашнего дней. Еще позже осознается возможность выделения как более коротких (час, минута, секунда), так и более длинных промежутков времени (неделя, месяц, год).

Таким образом, время– это форма бытия материи, характеризующая последовательность смены состояний и длительности существования любых объектов и процессов. Представление о времени складывается на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Достаточно быстро человек осознает и то, что пространство и время очень тесно взаимосвязаны друг с другом. Ведь время можно измерять мерой пространства – расстоянием, а расстояние – мерами времени. Так, время можно измерять относительным положением стрелок на циферблате часов, расстояние – временем, которое потребуется на дорогу до какого-либо объекта (пять минут ходьбы от метро).

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, хотя их рассуждения носили стихийный, нередко противоречивый характер. Так, для Демокрита пространство ассоциировалось с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов. Оно было вместилищем материальных тел. В то же время большинство древнегреческих философов (прежде всего элеаты) не признавали существования пустоты и тем самым связывали существование пространства с материальными телами, характеристикой которых оно являлось. Эти идеи в завершенной форме были высказаны в «Началах» Евклида, который считал пространство однородным и бесконечным.

Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и в классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.

Огромное значение для развития представлений о пространстве и времени имели работы Г. Галилея, который ввел в науку идею инерции и классический принцип относительности. Согласно этим принципам все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. В результате такие характеристики тел, как длина и время, являются неизменными.

Следующий важный шаг был сделан Р. Декартом, который связал физику и геометрию. Он ввел в науку координатную систему, в которой состояние материального тела описывалось с помощью трех пространственных (длина, ширина, высота) и одной временной координаты. Он же первым стал отождествлять пространство с протяженностью материальных объектов, отрицая при этом существование пустого пространства. Также Декарт связал время с длительностью материальных процессов, с осознанием человеком этой длительности.

Вершиной классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно он ввел господствовавшие в науке до начала XX в. представления о пространстве и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Это было сделано в его знаменитой книге «Математические начала натуральной философии». В ней Ньютон попытался объединить существующие в науке точки зрения на пространство и время.

В своем описании, с одной стороны, он использовал представления о пространстве и времени как о внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы даже при исчезновении материи. С другой стороны, он сохранял понимание пространства и времени как протяженности и длительности материальных объектов, существующих во Вселенной.

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить себе в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно. Его можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это минута, час, день, месяц, год.

Разграничение абсолютного и относительного пространства и времени, произведенное Ньютоном, связано со спецификой человеческого познания, которое происходит на двух уровнях – эмпирическом и теоретическом. На эмпирическом уровне познания человек воспринимает пространство и время через свои органы чувств. Такое познание ограничено способностями познающей личности и не может адекватно передать реальность нашего мира. Лишь находясь на теоретическом уровне познания, человеческий разум способен представить пространство и время как абсолютные, универсальные и инерциальные системы отсчета.

Абсолютное пространство и время Ньютона предстают перед нами в качестве самодовлеющих элементов бытия, существующих вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Это – «черный ящик», уже упоминавшийся выше. Такое понимание пространства и времени свойственно субстанциальной концепции. Конечно, у Ньютона пространство и время обладают не всеми признаками субстанции (первоначала мира). Они абсолютно самостоятельны и независимы от любых процессов, происходящих в мире. Но в отличие от материи, они не обладают свойством субстанции порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Правда, Ньютон считал, что как материя, так и пространство и время подвластны Богу, который является единственной подлинной реальностью.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время – как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он подчеркивал неразрывную связь материи с пространством и временем.

Но взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона. Сформулированные Ньютоном законы движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой классической механики, основывались на понятиях абсолютного пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки идей Ньютона предпочли не обращать внимания.

Ньютоновское пространство считалось бесконечным, плоским, евклидовым. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (одинаковое по всем направлениям). Это пространство выступало в качестве вместилища материальных тел, оно было независимой от этих тел инерциальной системой.

Абсолютное время было однородным и равномерно текущим, одинаковым во всей Вселенной. Оно служило универсальной длительностью, независимой системой отсчета любых процессов во Вселенной.

Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсолютных пространства и времени относительными. Тем не менее, инерция мышления была так велика, что еще несколько десятилетий признавалось существование мирового эфира как абсолютной системы отсчета, стоящей в одном ряду с абсолютными пространством и временем.

Существуют также такие концепции пространства и времени, которые ставят их в зависимость от человеческого сознания. Известные философы и ученые Беркли, Мах, Авенариус выводили пространство и время из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно подле другого. Так, И. Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания. В качестве аргумента он использовал ссылку на геометрию Евклида, неизменную в течение двух тысячелетий.

В других концепциях проблема пространства и времени рассматривалась во взаимосвязи 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 провидению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как относительного, как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся 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 физики, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время 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 давшей ей естественно-научное обоснование.