Эволюция представлений о пространстве и времени

Пространство – понятие, с помощью которого описываются свойства протяженности, взаимного расположения объектов, сосуществование объектов.

Время – понятие, с помощью которого описывается длительность и последовательность событий. Характеризует порядок смены событий.

В мире нет материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе вне материи или независимо от нее.

Пространство есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Время характеризует последовательность смены состояний и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь изменяющихся и сохраняющихся состояний. Все структурно разделенные объекты материального мира находятся в движении и развитии. Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности.

Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи.

Важным свойством пространства является его трехмерность.

В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время — необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей.

Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время — однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность — в равноправии всех направлений.

Пространство и время– категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время – порядок смены явлений. Пространство и время – основные понятия всех разделов физики. Они играют главную роль на эмпирическом уровне физического познания – непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит в фиксации пространственно-временных соотношений. Категории пространства и времени служат также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные. Обеспечивая отождествление и различение (индивидуализацию) отдельных фрагментов материальной действительности, пространство и время имеют решающее значение для построения физической картины мира. Свойства пространства и времени делят на метрические(протяженность и длительность) и топологические (размерность, непрерывность и связность пространства и времени, порядок и направление времени). Современной теорией метрических свойств пространства и времени является теория относительности.

К пространственным свойствам материальных систем относят:

1. Конкретные пространственные формы и размеры тел, их положение по отношению друг к другу, скорость перемещения.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии (речь о них пойдет ниже) свойственны макромиру и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает уже молекула живого вещества.

3. Изотропность и однородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность, свойственная лишь абстрактному евклидовому пространству, является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс. (см. “Общая теория относительности”).

Специфическими свойствами времени являются:

1. Конкретная длительность существования материальных систем от их возникновения до распада, ритмы процессов в них, соотношение между циклами изменений.
2. Скорость протекания процессов, темпы развития и соотношение между ними на разных этапах эволюции. С увеличением скорости движения тел и в мощных полях тяготения происходит относительное замедление всех процессов в телах, их собственное время как бы сокращается по отношению ко времени внешних систем. Конечность скорости распространения взаимодействий обусловливает относительность одновременности в различных системах. События, одновременные в одной системе, могут быть не одновременными по отношению к другой системе, движущейся относительно первой. Все это приводит к тому, что во Вселенной отсутствует единое время, как и одно единое пространство. (см. “Теория относительности”). Каждая относительно меньшая материальная система существует и движется в пространстве и во времени большей системы, и между ними существует двусторонняя взаимосвязь.

Согласно Ньютону, все физические явления происходят в трехмерном пространстве, описанном евклидовой геометрией. Это абсолютное не изменяющееся пространство, всегда находящееся в состоянии покоя. Как утверждал Ньютон: “Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается неизменным и неподвижным”. Все изменения в физическом мире описывались в терминах абсолютного времени – особого измерения, не имеющего связи с материальным миром и различающего прошлое, настоящее и будущее. “Абсолютное, истинное математическое время, по своей сущности, течет с постоянной скоростью, не подвергаясь внешним воздействиям” – утверждал Ньютон.

Согласно Ньютону, все физические явления сводятся к движению материальных точек в пространстве, вызванному их взаимным притяжением, то есть силой тяжести, или гравитацией. Для того, чтобы дать строгое математическое описание этой силы, Ньютону пришлось использовать абсолютно новые понятия и математические операции дифференциального исчисления. Основа классической механики – ньютоновские уравнения движения Ньютона. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие движением материальных точек, а значит – и всеми природными явлениями. По мнению Ньютона, Бог создал материальные частицы, силы между ними и фундаментальные законы движения. Таким образом, вся Вселенная была запущена в движение и движется до сих пор подобно отлаженному механизму.

Итог

Понимание пространства и времени как инвариантных самостоятельных сущностей (пустота у древнегреческих атомистов; Абсолютные пространство и время Ньютона).

Понимание пространства и времени как системы отношений между материальными телами (пространство как категория места, время как мера движения у Аристотеля; изменение пространственных и временных промежутков при смене системы отсчёта у Эйнштейна).

Классический закон сложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об Абсолютном пространстве и Абсолютном времени

Концепция мирового эфира

Нарушение классического закона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли

Современная научная картина мира: отказ от идеи Абсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета, признание тесной взаимосвязи между пространством, временем, материей и её движением