Чем обусловливается неточность экспериментальных результатов?
6. Назовите основные положения теории естественно-научного познания.
7. Охарактеризуйте три стадии естественно-научного познания истины.
8. Что означает относительность естественно-научных знаний?
9. В чем заключается единство эмпирического и теоретического знаний?
10. Какова роль ощущений и представлений в процессе познания?
11. Как устанавливается научный факт?
12. Что такое эксперимент? Чем отличается эксперимент от наблюдения?
13. Каковы особенности современных технических средств эксперимента?
14. Назовите основные формы мышления.
15. На чем основывается научное предвидение?
16. В чем заключается методология естествознания?
17. Дайте краткую характеристику методов и приемов естественно-научных исследо- ваний.
18. Что такое научное открытие?
19. Какова роль творческого воображения в научном поиске?
20. Как строится научное доказательство?
21 . Назовите основные аргументы, определяющие практическую направленность экс- перимента.
22. Из каких этапов состоит эксперимент?
23. Как повысить точность экспериментальных измерений?
24. Какие операции включает обработка экспериментальных результатов?
25. В чем заключается специфика современных экспериментальных и теоретических исследований?
26. Назовите причины оторванности теории от эксперимента.
27. В каких трех направлениях, важных для эксперимента, развивается лазерная тех- ника?
28. Для чего применяется синхротронное излучение?
29. Какие процессы и свойства исследуются методом ядерного магнитного резонанса?
30. Дайте краткую характеристику возможностей оптической и масс-спектроскопии.
31 . Что можно определить методами рентгеноструктурного анализа и нейтроногра- фии?
32. В каких материалах и когда обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость?
33 . В чем специфика и преимущества химического лазера?
34. Каковы особенности атомного лазера?
35. Для чего применяются молекулярные пучки?
36. На чем основана технология атомных размеров?
37. Каковы результаты и перспективы исследований генома человека?
38. Назовите важнейшие последние достижения современного естествознания.
Изучатьчто-либо и не задумываться
над выученным — абсолютно бесполезно. Задумываться над чем-либо, не изучив предмет раздумий, — опасно.
Конфуций
Фундаментальные принципы и законы
*
Атомный и нуклонный уровни
строенияматерии
*
3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ
3.1. ФИЗИКА — ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАСЛЬ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Физик а — основа естественных наук. Огромное ветвистое древо естествознания медленно произрастало из натурфилософии — филосо- фии природы, представляющей собой умозрительное истолкование при- родных явлений и процессов. Натурфилософия зарождалась в VI — V вв. до н.э. в Древней Греции в ионийской школе и была, по существу, первой исторической формой философии, которая носила стихийно-материали- стический характер. Ее основоположники — крупные мыслители древ- ности: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский и др. — руководствовались идеями о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (воды, воздуха, огня) и о всеобщей одушевленности материи. Интерес к природе как объ- екту познания вызвал новый расцвет натурфилософии в эпоху Возрожде- ния, который связан с именами известных мыслителей — Дж. Бруно, Б. Телезио, Т. Кампанеллы и др. Позднее натурфилософские взгляды на окружающий мир, основанные на объективно-идеалистической диалек- тике природы как живого организма, развивались немецким философом
Ф. Шеллингом (1775—1854) и его последователями.
Наряду с умозрительными и в определенной степени фантастически- ми представлениями натурфилософия содержала глубокие идеи диалек- тической трактовки природных явлений. Поступательное развитие экспе- риментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественно-научные знания. Таким образом, в недрах натурфилософии зарождалась
физика — наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наи- более общие свойства материального мира.
Физика составляет основу естествознания. В соответствии с многооб- разием исследуемых форм материи и ее движения она подразделяется на
7 - 3290 97
физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т.д. На ее стыке с другими естественными науками возникли биофизика, астро- физика, геофизика, физическая химия и др.
Слово «физика» появилось еще в древние времена и в переводе с гре- ческого означает «природа». Натурфилософское сочинение древнегрече- ского философа Аристотеля (384—322 гг. до н. э.), ученика Платона, так и называется «Физика». Аристотель писал: «Наука о природе изучает пре- имущественно тела и величины, их свойства и виды движений, а кроме того, начала такого рода бытия».
«Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элемен- тарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира», — так считал Эйнштейн. Одна из главных задач физики — выяв- ление самого простого и самого общего в природе. Под самым простым обычно принято понимать первичные объекты: молекулы, атомы, эле- ментарные частицы, поля, а под самым общим — движение, пространст- во и время, энергию и т.п. Физика изучает разнообразные явления и объ- екты природы, и при этом сложное сводится к простому, конкретное — к общему. Так устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из суще- ственных признаков физики как фундаментальной науки. Физика зани- мает особое место среди естественных наук, и ее принято считать лиде- ром естествознания.
К настоящему времени известно множество естественных наук, отра- жающих различные свойства объектов природы. Их классификация и ие- рархия всегда интересовали ученых. Одну из первых классификаций про- вел в начале XIX в. выдающийся французский физик Андре Ампер (1775—1836). Уже тогда общее число естественных наук насчитывалось более 200. Естественно-научные знания он представил в виде единой сис- темы, состоящей из различных по характеру идей и экспериментальных сведений. В такой системе физика располагалась на первом уровне как наука наиболее фундаментальная, химия — на втором, как бы основы- вающаяся на физике, и т.д.
Позднее — в середине XIX в., — изучая историю развития естество- знания, немецкий химик Ф. Кекуле (1829—1896) предложил свою иерар- хию естественных наук в форме четырех последовательных ступеней: ме- ханика, физика, химия, биология. В ней рассматривались молекулярная физика и термодинамика как механика молекул, химия — как физика атомов, а биология — как химия белков или белковых систем.
Вопросы иерархии, классификации и взаимосвязи естественных наук обсуждаются и по сей день. При этом рассматриваются разные точки зре- ния. Например, одна из них — все химические явления, строение вещест- ва и его превращение можно объяснить на основании физических зна-
ний — ничего специфического в химии нет. Другая точка зрения — каж- дый вид материи и каждая форма материальной организации (физиче- ская, химическая, биологическая) настолько специфичны и обособлены, что между ними нет прямых связей. Конечно, такие полярные точки зре- ния далеки от истины. Вполне очевидно одно — несмотря на то, что фи- зика — фундаментальная отрасль естествознания, каждая из естествен- ных наук при одной и той же общей задаче изучения природы имеет свой объект исследования и базируется на своих законах, не сводимых к зако- нам других отраслей науки. Сочетание всесторонних знаний, накоплен- ных в течение длительного времени в отдельных отраслях естествозна- ния, способствует дальнейшему его развитию.
Возвращаясь к мысли, изложенной в начале этого параграфа, можно сказать: натурфилософия породила физику. Однако так же определенно можно утверждать и другое: физика выросла из потребностей техники (например, развитие механики у древних греков было вызвано запросами строительной и военной техники того времени). Техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (так, задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей стимулировала бурное раз- витие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика — основная база для созда- ния наукоемких технологий и новых технических средств производства.
Физика тесно связана и с философией. Такие крупные открытия в об- ласти физики, как закон сохранения и превращения энергии, второе нача- ло термодинамики, соотношение неопределенностей и др., являлись и яв- ляются ареной острой борьбы между сторонниками разных философских течений. Научные открытия служат реальной почвой для многих фило- софских мыслей. Изучение открытий и их философское, концептуальное обобщение играют большую роль в формировании естественно-научного мировоззрения.
Основные этапы развития физики.Всю историю развития физики можно условно разделить на три основных этапа:
1) доклассической физики;
2) классической физики;
3) современной физики.
Первый этап развития физики — этап доклассической физики — ино- гда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать обосно- ванным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Этот этап — самый длительный: он охватывает период от времени Аристотеля (IV в. до н.э.) до конца XVI в.
Начало второго этапа — этапа классической физики — связывают с
работами итальянского ученого Галилео Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика,
астронома и физика Исаака Ньютона, основоположника классической
физики. Второй этап длился около трех веков до конца XIX в.
К началу XX в. получены экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. Поэтому был предложен со- вершенно новый подход — квантовый, основанный на дискретной кон- цепции. Квантовую гипотезу впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк, вошедший в историю развития физики как один из осново- положников квантовой теории. С введением квантовой концепции начи- нается третий этап развития физики — этап современной физики, вклю- чающий не только квантовые, но и классические представления.
Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система ми- ровых сфер Аристотеля, которая родилась на подготовленной его пред- шественниками идейной почве. Переход от эгоцентризма — отношения к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуаль- ном «я», к геоцентризму — первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ростков естествознания. Непосредственно видимая по- лусфера неба, ограниченная местным горизонтом, дополнялась анало- гичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал бо- лее завершенным, но оставался ограниченным небесной сферой. Соот- ветственно, и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, цен- тральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сфериче- ской. Пришлось признать не только возможность существования антипо- дов — обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Та- кие представления, носившие в основном умозрительный характер, под- твердились гораздо позднее — в эпоху первых кругосветных путешест- вий и великих географических открытий, т. е. на рубеже XV и XVI вв., ко- гда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг
с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел, доживало свои последние годы.
Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему греческого астронома Клавдия Птолемея (ок. 90 — 160) от дос- таточно совершенной гелиоцентрической системы польского математика
и астронома Николая Коперника. В центре гелиоцентрической системы находится не Земля, а Солнце. Вершина гелиоцентрической систе- мы — законы движения планет, открытые немецким астрономом Иога- ном Кеплером, одним из творцов естествознания Нового времени.
Астрономические открытия Галилео Галилея, его физические экспе- рименты и фундаментальные законы механики, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало этапу классической физики, кото- рый нельзя отделить четкой границей от первого этапа. Для физики и ес-
тествознания в целом характерно поступательное развитие: законы Кеп-
лера — венец гелиоцентрической системы с весьма длительной, начав- шейся еще в древние времена историей; законам Ньютона предшествова- ли законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от гео- центризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелев- ской механики. Механика Аристотеля разделялась на земную и небес- ную, т.е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристо- телевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов меха- ники, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной. Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил представление Аристотеля об инерции, ха- рактеризующее равномерное движение небесных тел вокруг Земли, при- менять для земных тел при их свободном движении в горизонтальном на- правлении.
Кеплер и Галилей пришли к своим кинематическим законам, предо- пределившим принципиально единую для земных и небесных тел меха- нику Ньютона. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам на- блюдений отклонений в движении планеты Уран, сделанных в 1781 г. английским астрономом и оптиком Уильямом Гершелем (1738—1822), английский астроном и математик Джон Адаме (1819—1892) и француз- ский астроном Урбен Леверье (1811—1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурано- вой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812—1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский ас- троном Персиваль Ловелл (1855—1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский люби- тель астрономии Клайд Томбо. Эта планета получила название Плутон.
Стремительными темпами развивалась не только классическая меха- ника Ньютона. Этап классической физики характеризуется крупными достижениями и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физи- ке, оптике, электричестве, магнетизме и т.п. Назовем важнейшие из них:
— установлены опытные газовые законы;
— предложено уравнение кинетической теории газов;
— сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;
— открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;
— разработана электромагнитная теория;
— явления интерференции, дифракции и поляризации света получи- ли волновое истолкование;
— сформулированы законы поглощения и рассеяния света.
Конечно, можно назвать и другие не менее важные достижения, среди
которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж. Максвеллом (1831—1879), созда- телем классической электродинамики, одним из основоположников ста- тистической физики. Он установил, кроме того, статистическое распре- деление молекул по скоростям, названное его именем. Теория электро- магнитного поля (уравнения Максвелла) объяснила многие известные к тому времени явления и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и эта теория оказалась не всесильной.
В конце XX в. при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была установлена закономерность распределения энергии. Получен- ные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. Такие результаты эксперимента не удалось объяснить в рамках классиче- ской электродинамики Максвелла. Согласующееся с экспериментом объ- яснение предложил в 1900 г. Макс Планк. Для чего ему пришлось отка- заться от общепринятого положения классической физики о том, что энергия любой системы изменяется только непрерывно, т.е. принимает любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе атомные осцилляторы излучают энергию не непре- рывно, а определенными порциями — квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте.
Характерная особенность этапа современной физики заключается в том, что наряду с классическими развиваются квантовые представления, на основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц — появи- лись новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.
В одной из своих статей М. Планк писал о том, как во времена его мо- лодости (примерно в 1880 г.) один уважаемый профессор не советовал за- ниматься физикой, полагая, что в физике осталось только стирать пыль с существующих физических приборов, так как главное уже сделано. Сей- час очевидно: профессор в своих прогнозах ошибался — XX столетие принесло немало великих открытий в физике, определивших многие пер- спективные направления развития разных отраслей естествознания.
В формировании квантово-механических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштей- ном в 1905 г. Именно за эту работу и труды в области математической фи-
зики, а не за теорию относительности, ему в 1921 г. была присуждена Но-
белевская премия по физике.
В развитие современной физики существенный вклад внесли многие выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Нильса Бора (1885 — 1962), создавшего квантовую теорию атома, немец- кого физика-теоретика Вернера Гейзенберга (1901—1976), сформулиро- вавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вари- ант квантовой механики, австрийского физика-теоретика Эрвина Шре- дингера (1887 — 1961), разработавшего волновую механику и предло- жившего ее основное уравнение (уравнение Шредингера), английского физика Поля Дирака (1902 — 1984), разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существо- вание позитрона, английского физика Эрнеста Резерфорда (1871 — 1937), создавшего учение о радиоактивности и строении атома, и многих других.
В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность и выдви- гались идеи о строении атомного ядра. В 1938 г. сделано важное откры- тие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рожде- нию атомной энергетики.
В исследовании ядерных процессов большую роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, действие которого основано на Черенкова—Вавилова излучении света, которое возникает при движе- нии в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазо- вую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено нашим сооте- чественником физиком П.А. Черенковым (1904—1990), лауреатом Нобе- левской премии 1958 г., под руководством академика СИ . Вавилова (1891—1951), основателя научной школы физической оптики.
Одно из крупнейших достижений физики XX в. —- это, безусловно, создание в 1947 г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, Д. Браттейном и У. Шокли, удостоенными в 1956 г. Нобе- левской премии по физике. С развитием физики полупроводников и соз- данием транзистора зарождалась новая технология — полупроводнико- вая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естест- вознания — микроэлектроника. В 1958 г. собрана первая интегральная схема в виде пластины из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой располагались два транзистора и RC-цепи. Современный микропроцессор размером 1,8 см содержит около
8 млн. транзисторов. Если размеры элементов первых транзисторов со- ставляли доли миллиметра, то сегодня они равны 0,35 мкм. Это современ- ный технологический уровень. В последнее время разрабатывается тех- нология формирования элементов нанометровых размеров.
Создание квантовых генераторов на основе вынужденного излучения
атомов и молекул — еще одно важнейшее достижение физики XX в. Пер- вый квантовый генератор на молекулах аммиака — источник электро- магнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер) — разработан в 1954 г. советскими физиками Н.Г. Басовым, A.M. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом. В 1964 г. за эту работу им присуждена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени разработано много модифика- ций квантовых генераторов, в том числе и оптических квантовых генера- торов, называемых лазерами, получивших широкое практическое приме- нение. Появились уникальные лазеры — химические, атомные и др., ко- торые открывают перспективные направления лазерных технологий.
Высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 г. немец- ким физиком Г. Беднорцем и швейцарским ученым А. Мюллером, удо- стоенными Нобелевской премии 1987 г., — вне всякого сомнения выдаю- щееся достижение современного естествознания.
Созданию единой теории фундаментальных взаимодействий, управ- лению термоядерным синтезом — этим и многим другим проблемам со- временной физики уделяется большое внимание, и в их решении прини- мают участие ученые многих стран.
3.2. МАТЕРИЯ И ДВИЖЕНИЕ, ВРЕМЯ И ПРОСТРАНСТВО
Одна из важнейших задач естествознания — создание естествен- но-научной картины мира в виде целостной упорядоченной системы. Для ее решения используются общие и абстрактные понятия: материя, движе-
ние, время и пространство.
Материя — это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Окружающий нас мир, все сущест- вующее вокруг нас представляет собой материю, которая тождественна реальности. Неотъемлемое свойство материи — движение. Без движения нет материи, и наоборот. Движение материи — любые изменения, про- исходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует в бесформенном состоянии — из нее образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных мас- штабов и сложности.
Отличительная особенность естественно-научного познания заклю- чается в том, что для естествоиспытателей представляет интерес не мате- рия или движение вообще, а конкретные виды материи и движения, свой- ства материальных объектов, их характеристики, которые можно изме- рить с помощью приборов. В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.
Вещество — основной вид материи, обладающей массой. К вещест-
венным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные — химические соединения. Свойства вещества за- висят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и мо- лекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. При сравнительно высокой температуре образуется плазма. Переход вещества из одного состояния в другое мож- но рассматривать как один из видов движения материи.
В природе наблюдаются различные виды движения материи, которые можно классифицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и их воздействий на окружающий мир. Механическое движение (относительное перемещение тел), колебательное и волновое движение, распространение и изменение различных полей, тепловое (хаотическое) движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы в макросистемах, фазовые переходы между агрегатными состояниями (плавление, парообразование и др.), радиоактивный распад, химические
и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы, эволюция звезд, галактик и Вселенной в целом — все это примеры многообразных видов движения материи.
Физическое поле — особый вид материи, обеспечивающий физиче- ское взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным частицам (например, электрон-позитронное поле). Источником физиче- ских полей являются частицы (например, для электромагнитного поля — заряженные частицы). Созданные частицами физические поля переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними. В кванто- вой теории взаимодействие обусловливается обменом квантами поля ме- жду частицами.
Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения неко- торых микропроцессов. Среднее число частиц — квантов поля — в ва- кууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные части- цы — частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы. В физиче- ском вакууме могут рождаться пары частица—античастица разных ти- пов. При достаточно большой концентрации энергии вакуум взаимодей- ствует с реальными частицами, что подтверждается экспериментом.
Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужден-
ном состоянии, родилась Вселенная.
Всеобщими универсальными формами существования и движения материи принято считать время и пространство. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в пространстве и во времени. Особенность естественно-научного представления об этих понятиях заключается в том, что время и пространство можно охаракте- ризовать количественно с помощью приборов.
Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого процесса или явления. Вре- мя — это то, что можно измерить с помощью многих приборов. Принцип работы таких приборов основан на разных физических процессах, среди которых наиболее удобны периодические процессы: вращение Земли во- круг своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и др. Многие крупные достижения в естествознании связаны с разработкой бо- лее точных приборов для определения времени. Существующие сегодня эталоны позволяют измерить время с очень высокой точностью — отно- сительная погрешность измерений составляет менее 10-11.
Временная характеристика реальных процессов основывается на по- стулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят
за одинаковое время. Хотя постулат времени кажется естественным и очевидным, его истинность все же относительна, так как его нельзя про- верить на опыте даже с помощью самых совершенных часов, поскольку, во-первых, они характеризуются своей точностью, и, во-вторых, невоз- можно создать принципиально одинаковые условия в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественно-научных исследо- ваний позволяет не сомневаться в справедливости постулата времени в пределах той точности, которая достигнута в данный момент времени.
При создании классической механики около 300 лет назад И. Ньютон ввел понятие абсолютного, или истинного, математического времени, ко- торое течет всегда и везде равномерно, и относительного времени как меры продолжительности, употребляемой в обыденной жизни и означаю- щей определенный интервал времени: час, день, месяц и т.д.
В современном представлении время всегда относительно. Из тео- рии относительности следует, что при скорости, близкой к скорости света
в вакууме, время замедляется — происходит релятивистское замедление времени, и что сильное поле тяготения приводит к гравитационному за- медлению времени. В обычных земных условиях такие эффекты чрезвы- чайно малы.
Важнейшее свойство времени заключается в его необратимости. Про- шлое во всех деталях и подробностях нельзя воспроизвести в реальной жизни — прошлое забывается. Необратимость времени обусловлена
сложным взаимодействием множества природных систем, в том числе
атомов и молекул, и символически обозначается стрелой времени, «летя- щей» всегда из прошлого в будущее. Необратимость реальных процессов
в термодинамике связывают с хаотичным движением атомов и молекул.
Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. В отличие от одномерного времени, реальное пространство трехмерно, т.е. имеет три измерения. В трехмерном пространстве существуют атомы и планет- ные системы, выполняются фундаментальные законы природы. Однако выдвигаются гипотезы, согласно которым пространство нашей Вселен- ной имеет много измерений, хотя из них наши органы чувств способны ощущать только три.
Первые представления о пространстве возникли из очевидного суще- ствования в природе твердых тел, занимающих определенный объем. Ис- ходя из него, можно дать определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Завершенная теория пространст- ва — геометрия Евклида — создана более 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории.
По аналогии с абсолютным временем И. Ньютон ввел понятие абсо- лютного пространства, которое существует независимо от находящихся в нем физических объектов и может быть совершенно пустым, являясь как бы мировой ареной, где разыгрываются физические процессы. Свойства пространства определяются геометрией Евклида. Именно такое пред- ставление о пространстве лежит в основе практической деятельности лю- дей. Однако пустое пространство идеально, в то время как реальный ок- ружающий нас мир заполнен различными материальными объектами. Идеальное пространство без материальных объектов лишено смысла даже, например, при описании механического движения тела, для которо- го необходимо указать другое тело в качестве системы отсчета. Механи- ческое движение тел относительно. Абсолютного движения, как и абсо- лютного покоя тел, в природе не существует. Пространство, как и время, относительно.
Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство — время. Основанием для тако- го объединения служит принцип относительности и постулат о предель- ной скорости передачи взаимодействий материальных объектов — ско- рости света в вакууме, примерно равной 300 000 км/с. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших
в разных точках пространства, а также относительность измерений длин
и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движу- щихся относительно друг друга.
В соответствии с общей теорией относительности свойства простран- ства — времени зависят от наличия материальных объектов. Любой ма-
термальный объект искривляет пространство, которое можно описать не
геометрией Евклида, а сферической геометрией Римана или гиперболи- ческой геометрией Лобачевского. Предполагается, что вокруг массивно- го тела при очень большой плотности вещества искривление становится настолько существенным, что пространство — время как бы «замыкает- ся» локально само на себя, отделяя данное тело от остальной Вселенной и образуя черную дыру, которая поглощает материальные объекты и элек- тромагнитное излучение. На поверхности черной дыры для внешнего на- блюдения время как бы останавливается. Предполагается, что в центре нашей Галактики находится огромная черная дыра. Однако есть и другая точка зрения. Академик Российской академии наук А. А. Логунов (р. 1926) утверждает, что никакого искривления пространства—времени нет, а происходит искривление траектории движения объектов, обусловленное изменением гравитационного поля. По его мнению, наблюдаемое крас- ное смещение в спектре излучения отдаленных галактик можно объяс- нить не расширением Вселенной, а переходом посылаемого ими излуче- ния от среды с сильным гравитационным полем в среду со слабым грави- тационным полем, в котором находится наблюдатель на Земле.