Концепции о пространстве и времени. Теория относительности

Понятия пространства и времени. Философские и физические категории пространства и времени. Различия и общие черты пространства и времени, их взаимосвязь. История формирования взглядов на пространство и время (Демокрит, Ньютон, Лобачевский, Риман, Минковский, Эйнштейн). Специальная и общая теории относительности. Основные принципы и выводы. Понятие материи. Определение структуры окружающего мира. Характеристика объектов мегамира: вселенная, метагалактика, галактика, звезды, планеты. Характеристика объектов макро- и микромиров.

В процессе создания естественнонаучной картины мира возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных предметов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках.

Материальные структуры (все, существующее во Вселенной, живое и неживое) определенным образом упорядочены. Существуют две формы описания упорядоченности материальных тел и процессов: пространственная и временная.

Понятие пространства и времени в античной философии.

Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

Так уже в учении Гераклита центральное место занимает идея всеобщего изменения – в ту же реку вступаем и не вступаем. 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 ученых 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 соответствии с атомистической концепцией пространства у Демокрита сложились представления о природе времени и движения.

Демокрит: пространство ассоциируется с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов, т.е. пространство – это «вместилище» тел.

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.

Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей.

Аристотель, отрицая пустоту, делает вывод, что пространство – это совокупность мест, занимаемых телами; понятия «предыдущее» и «последующее» являются выражением изменения движения.

Таким образом, по Аристотелю:

- пространство определяется местом расположения тел

- время есть мера движения

Развитие представлений о пространстве и времени в классической физике.

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предложил 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, всегда остается одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

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

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

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.

С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности.

Пространство у него неизменно и неподвижно и, т.к. его свойства не зависят ни от чего, в том числе и от времени, то убрав из пространства все материальные тела, пространство останется и его свойства сохранятся. Время, по Ньютону, течет одинаково во всей Вселенной, и это течение не зависит ни от чего.

Ньютоновские представления о пространстве, времени и следствия из этих представлений:

- абсолютное пространство – это независимо существующее «вместилище» материальных тел

- абсолютное время – это независимое от материи «вместилище» событий

- относительное время задается последовательностью событий

- пространство однородное, изотропное, трехмерное и описывается геометрией Евклида

- пространственные размеры тел, в покоящихся и движущихся системах отсчета, остаются одинаковыми

- справедлив классический закон сложения скоростей (например: скорость человека, идущего по движущемуся вагону, для наблюдателя, находящегося на земле, складывается из скорости человека относительно вагона и скорости вагона относительно земли)

Сторонники субстанциональной концепции (Демокрит, Аристотель, Ньютон и др.) трактовали пространство и время как инвариантные самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее. Поэтому, соотношение между пространством и временем, с одной стороны, и материей – с другой, представлялось как отношение между двумя самостоятельными субстанциями.

Утверждение новых взглядов на пространство и время произошло только в начале XX в. после создания А. Эйнштейном теории относительности. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, свойства материальных тел, существующие только вместе друг с другом и с движущейся материей.

В современной картине мирапонимание пространства и времени сформировано теорией относительности Эйнштейна:

- пространство и время неразрывно связаны между собой, т.е. составляют единое четырехмерное пространство-время (специальная теория относительности)

- вблизи тяготеющих масс (под действием сил гравитации) пространство-время «искривляется» и уже не является Евклидовым пространством (общая теория относительности)

- пространство и время имеют относительный характер: так результаты измерений длин объектов и интервалов времен зависит от того, в какой системе отсчета они измеряются

- отказ от идеи абсолютного пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета

- существует тесная взаимосвязь между пространством, временем, материей и ее движением

- убрав из пространства все материальные объекты – исчезает пространство и время.

Свойства пространства-времени. Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. В учебных целях свойства пространства и времени также рассматриваются отдельно.

Общие свойства пространства.

1) протяженность, понимая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов;

2) трехмерность, в соответствии с которой все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, т.е. обладают длиной, шириной и высотой.

Общие свойства времени.

1) длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего;

2) необратимость времени — общее свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них;

3) одномерность времени, проявляющаяся в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной.