Пространство и время в истории науки

Оглавление

Введение 2

1. Развитие взглядов  на пространство  и время в истории  науки 3

2. Пространство и  время в свете  теории относительности  А. Эйнштейна 10

Заключение 16

Список  использованной литературы. 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Пространство  и время как всеобщие и необходимые  формы бытия материи являются фундаментальными категориями в  современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно  связаны с измерением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик  объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Развитие взглядов  на пространство  и время в истории  науки

Уже в античном мире мыслители задумывались над  природой и сущностью пространства и времени. Так, одни из философов  отрицали возможность существования  пустого пространства, или, по их выражению, небытия. Это были представители  элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач и философ Эмпедокл хотя и поддерживал учение о невозможности  пустоты, в отличие от элеатов  утверждал реальность изменения  и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи  и атомы, и необходима для перемещений  и соединений атомов.

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.

Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании до XVI в. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной  Земли.

Коренное изменение  пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической  системе мира, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис. 

Признав подвижность  Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления  о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым  теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и  направила движение естественнонаучной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства. 

Космологическая теория Д. Бруно связала воедино  бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и мирах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной  благодаря способности и расположению бесконечного пространства и благодаря  возможности и сообразности бытия  бесчисленных миров, подобных этому…»1. Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное  пространство», Бруно делает вывод  и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела  и поверхности».

Практическое  обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» И. Кеплера  и в небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине  движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил  универсальную зависимость между  периодами обращения планет и  средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических  орбитах. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического  учения о пространстве.

Подлинная революция  в механике связана с именем Г. Галилея, Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип  классической механики - принцип относительности  Галилея. Согласно этому принципу все  физические (механические) явления  происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие  системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея  отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают  инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения. 

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и  времени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую  картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все  явления природы объясняются  механическим воздействием элементарных материальных частиц. Взаимодействием  элементарных частиц Декарт пытался  объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или  удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия. 

Декарт обосновывал  единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время  представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и  геометрии привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.

Декарт развил также представление о соотношении  длительности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному  миру. Время же - соприсуще человеку и потому является модулем мышления». «…Время, которое мы отличаем от длительности, - пишет Декарт в «Началах философии», - есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим…» 

Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления  подготовили математическое и экспериментальное  обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся  на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный  закон природы - закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется  между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна  квадрату расстояния между ними. 

Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что  Вселенная является не конечной, а  бесконечной. Лишь в этом случае в  ней может существовать множество  космических объектов - центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление  о бесконечном пространстве, в  котором находятся космические  объекты, связанные между собой  силой тяготения. 

В 1687 г. вышел  основополагающий труд 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  понятий пространства, времени, места  и движения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует  их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени  все располагается в смысле порядка  последовательности, в пространстве - в смысле порядка положения». Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику.

Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по 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.

Абсолютное пространство по своей сущности, 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.

Из определений  Ньютона следовало, что разграничение  им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано  со спецификой теоретического и эмпирического  уровней их познания. На теоретическом  уровне классической механики абсолютное пространство и время играли существенную роль во всей причинной структуре  описания мира. Они выступали в  качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы  в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального  мира понятия «пространство» и «время»  ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства.

Ньютоновское  понимание пространства и времени  вызвало неоднозначную реакцию  со стороны его современников - естествоиспытателей  и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г.В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей. 

Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц  писал: «Считаю пространство так  же,

как и время, чем-то чисто относительным: пространство - порядком сосуществований, а время - порядком последовательностей»1. 

Предвосхищая  положения теории относительности  Эйнштейна о неразрывной связи  пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться  в «отвлечении» от самих вещей. «Мгновения в отрыве от вещей ничто, - писал  он, - и они имеют свое существование  в последовательном порядке самих  вещей»2. 

Однако данные представления Лейбница не оказали  заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция  пространства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой  принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном. 

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и  кажущаяся ясность) привели к  тому, что многие критические соображения  в ее адрес обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась  физическая картина мира, господствовала вплоть до конца XIX в.

Основные положения  этой картины мира, связанные с  пространством и временем, заключаются  в следующем. 

Пространство  считалось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно  рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет  выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел как независимая  от них инерциальная система. 

Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый  от материальных объектов процесс длительности. Фактически классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени - «показывать продолжительность события»3. Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.

Абсолютное время  и пространство служили основой  для преобразований Галилея - Ньютона, посредством которых осуществлялся  переход к инерциальным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат  в классической механике.