Учение о химических процессах. Реакционная способность веществ

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. Наиболее зависимыми от условий протекания реакции оказываются соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций.

Одним из основоположников этого направления в химии стал русский химик Н.Н. Семенов - лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что химический процесс - то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Это - мост от объектов физики к объектам биологии.

Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости реакции. В природе и в промышленности протекает огромное количество химических процессов. Одни протекают веками, другие очень быстро.

Скорость химической реакции определяется изменением концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Она зависит от многих факторов и включает природу реагентов, концентрацию реагирующих веществ и температуру, наличие катализаторов, состояние кристаллической решетки твердых реагентов и продуктов, если такие имеются в системе.

Быстрее протекает та реакция, в которой взаимодействует меньше ионов. Скорость реакции увеличивается также в случае увеличения числа частиц реагирующих веществ, приводящего к более частым их столкновениям. Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики – законом действующих масс. Этот закон распространяется на газовые смеси и растворы, но он не применим к реакциям твердых веществ.

Для реакций с участием твердых веществ скорость взаимодействия очень чувствительна к степени смешения реагентов и состоянию их кристаллической решетки, так как любые нарушения в этой решетке вызывают увеличение реакционной способности твердых тел.

Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость большинства химических реакций возрастает в геометрической прогрессии. С первого взгляда может показаться, что высокая температурная чувствительность скорости реакции связана с увеличением числа молекулярных столкновений. Однако это не так. Согласно расчетам, общее число столкновений молекул при повышении температуры на десять градусов возрастает только на 1,6 %, а число прореагировавших молекул возрастает на 200 – 400 %.

Чтобы объяснить наблюдаемые расхождения, С. Аррениус предположил, что влияние температуры сводится главным образом к увеличению числа активных молекул, т.е. молекул, столкновение которых приводит к образованию продукта (эффективного столкновения). Согласно С. Аррениусу, доля эффективных столкновений, равная отношению их числа к общему числу столкновений (n), изменяется с температурой.

Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость протекания химических процессов – использование катализаторов. Напомним, что катализаторы – это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие – реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде. Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют химический процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов, носит название катализа, а замедление – ингибирования.

Существуют два вида катализа – гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором и реагентами.

Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализаторы (обычно твердые вещества) находятся в ином фазовом состоянии, чем реагенты и индукторы реакции. Реакция развивается на поверхности твердого тела, которая всегда имеет много дефектов, в том числе свободные электронные пары, не участвующие в образовании связи. Молекулы реагентов легко взаимодействуют с этими электронами и благодаря образующимся связям легко удерживаются на поверхности катализатора. В результате некоторые связи внутри адсорбированных молекул настолько ослабевают, что молекулы либо разрушаются, либо превращаются в активные радикалы. Каталитическая активность твердого вещества тем выше, чем лучше реагенты адсорбируются на его поверхности, и чем слабее продукты реакции удерживают его. При этом важно, чтобы, изменяя энергетическое состояние молекул реагента, катализатор сам не образовывал с ними прочных химических связей.

Согласно современным воззрениям, каталитическая активность твердого тела обусловлена не всей поверхностью, а лишь отдельными ее частями, называемыми ее активными центрами. Их природа пока точно не установлена. Как правило, химики стремятся получать твердый катализатор с максимально большой поверхностью. Однако площадь сама по себе еще не определяет эффективность катализатора. Более важно – состояние поверхности, т.е. число активных центров на единицу поверхности.

В 1960 году были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в ходе их работы дезактивизировались, ухудшались и выбрасывались. В 1964 году отечественный химик А. П. Руденко выдвинул теорию химической эволюции, напрямую связанную с процессами самосовершенствования катализаторов.

Для современной картины мира, пронизанной идеей развития, идея эволюции может показаться достаточно тривиальной. Однако в познании неживой природы проследить генетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» – задача не простая. Для химиков эволюция не исчерпывается возникновением и распадом межатомных, молекулярных структур. Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными остановками развития.

Появление идеи химической эволюции было подготовлено большими успехами в области изучения механизма химических превращений, развитием химической кинетики. В 1951 году Б. П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическую реакцию – окисление лимонной кислоты броматом при катализаторе ионами церия в сернокислой среде. Вопреки вековому опыту химиков, количество вещества, вступающего в реакцию, не убывало, не оставалось равновесным, а колебалось. Явно неживая химическая смесь проявила как бы способность к самоорганизации. До сих пор химики утверждали: никаких колебательных процессов в однородных растворах быть не может. Однако в последние годы накоплено достаточно фактов, свидетельствующих о множестве колебательных явлений типа реакции Белоусова. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет появления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации других открытых систем в указанных химических реакциях, важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Химическая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Таким образом, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений является базисная реакция.

В настоящее время химические процессы исследуются такими отраслями как химия плазмы, реакционная химия, химия высоких давлений и температур. Анализ химических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень. В результате развития квантовой химии многие проблемы механизма реакции решаются на основании теоретических расчетов.

12. Симметрические и асимметрические закономерности
Вступление человечества в третье тысячелетие сопровождается возникновением ряда взаимопротиворечивых тенденций между категориями симметрия-асимметрия, и их взаимоперехода друг в друга. Поскольку человеческое существование раскрывается через рассмотрение его как целостной структуры, являющейся одним из звеньев природы и функционирующей на основе природных закономерностей, постольку принцип «симметрии-асимметрии» управляет законами природы (В.А. Тарасов, 1984).

Еще В.И. Вернадский указывал, что «принцип симметрии-асимметрии в 20 веке охватил и охватывает все новые области. Из области материи он проник в область энергии, из области кристаллографии, физики твердого вещества он вошел в область химии, в область молекулярных процессов и физику атома». Фундаментальную теорию симметрии-асиммерии активно используют при анализе проблем структуры атомных орбиталей, магнитного поля Земли, оптической активности веществ, структуры белков, двойной спирали ДНК, строения нуклеиновых кислот, полисахаридов, клеточных мембран, головного мозга, тела человека и т. д.

В силу изменения и преобразования, существующих в природе процессов все в большей степени проявляется асимметрия. Объяснением этого является то, что симметрия не позволяет превратить окружающий нас мир, ход развития человека, его психическое и умственное совершенствование в анархию развития и анархию существования, несмотря на огромное количество случайных и изменяющихся явлений. «Симметрия предполагает состояние устойчивости, без которого было бы не возможно существование живых организмов» (Н.Н. Брагина, Т.А. Доброхотова).

Принципы симметрии – это запреты, которые ограничивают возможности изменений и их число, определяющие канву адаптации организма, но понятие «симметрия» теряет смысл в отрыве от своего антипода «асимметрия» (К.Д. Чермит, 1992).

Опираясь на данные разных наук, мы пришли к выводу, что рассмотрение симметрии и ее изменений в ходе онтогенеза и эволюции позволяет объяснить самые разнообразные явления.

Особый интерес представляет собой исследование симметрии у животных объектов. Исходя из классификации форм симметрии организмов В.Н. Беклемишева – классика нашей биологии (1980), никакая симметрия в строении живых тел не бывает совершенной и поэтому в природе встречаются отклонения билатеральной симметрии. Вопреки данной классификации В.А. Геодакян в 1993 году предлагает другую, где якобы соблюдается эволюционная логика: постепенный переход от абсолютной симметрии до полной асимметрии, по числу асимметричных осей. До этого «венцом» эволюции по асимметрии считали билатерально симметричные организмы: от примитивного ланцетника до рыб, в том числе и человек. По новой же концепции, этот тип не последний, он кончается латерально - симметричным опоссумом, а все высшие формы млекопитающих во главе с человеком выделяются в новый тип – триаксально асимметричных организмов, того же эволюционного ранга. Согласно эволюционной теории пола Геодакяна был предсказан более асимметричный мозг у мужчин и более симметричный у женщин, что говорит о том, что асимметризация продолжается. Закон рекапитляции свидетельствует о том, что в эмбриогенезе прослеживаются те же 4 типа асимметрии: шаровая зигота, радиальная бластула, билатерально-симметричный эмбрион и триаксиально асимметричный новорожденный ребенок. В том же порядке асимметризуется и мозг человека.

Если же исходить из непрерывности единства «симметрии-асимметрии» изучение человека является наиболее важным, так как человек познает себя в процессе эволюции, являясь ключом ко всей науке о природе. Человек должен быть включен в цельное представление о мире, потому что «ни в одном животном, стоящем ниже человека на эволюционной лестнице, не встретишь такого расхождения функций, асимметрии симметричных сторон тела» (С.Р. Агеева, 1987; Б.Г. Ананьев, с соавт., 1976 и др.).

Вся картина мира, создаваемая человеком, представляет собой результат бесчисленных преобразований, поэтому поиск законов природы есть поиск теоретико-групповой инвариантности и симметрии (определение стабильных черт явлений).

Проведенный анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что функциональная асимметрия любого биологического объекта, включая и человека, является основой его существования. Она служит связующим звеном между организмом человека и окружающей средой, от которого зависят нормальное функционирование и, следовательно, жизнедеятельность организма в целом.

13. Статистические и динамические закономерности

Рассмотрим два типа физических явлений: механическое движение тел и тепловые процессы. В первом случае движение тел подчиняется законам Ньютона, законам классической механики. Законы классической механики называются динамическими законами,тем самым подчеркивается, что движение происходит под действием тех или иных сил. Динамические законы имеют строго однозначный характер всех связей и зависимостей.

Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы. Они действуют во всех автономных, мало зависимых от внешней среды системах с относительно малым количеством входящих в нее элементов (например, характер движения планет Солнечной системы).

Во второй половине XIX в. наряду с динамическими в ряде разделов физики получили широкое развитиестатистические методыисследования.

Классическим примером является статистическое рассмотрение тепловых термодинамических процессов. В данном случае рассматриваемая система, в отличие от динамической, включает огромное число отдельных элементов (например, полное число молекул
газовой системы). И здесь рассматривается не движение каждой отдельно взятой молекулы, а лишь вероятностные ее характеристики. Затем, используя теорию вероятностей, теорию случайных событий, можно определить усредненные характеристики всей системы и установить статистические закономерности поведения всей системы.

Примером тому может служить установление статистической закономерности между температурой газа и кинетической энергией совокупности молекул системы в молекулярно-кинетической теории газа.

Статистические закономерности действуют во всех неавтономных, сильно зависящих от внешней среды системах, с большим количеством элементов.

При статистических закономерностях данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а лишь с определенной вероятностью.

В классической термодинамике в основном рассматриваются изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией. Именно для таких систем установлен закон возрастания энтропии. Этот закон имеет простое статистическое толкование. Действительно, энтропия изолированной, т.е. предоставленной самой себе, системы не может убывать. С другой стороны, очевидно, что предоставленная самой себе система будет переходить из менее вероятного состояние в более вероятное. Таким образом, энтропия и вероятность состояний изолированной системы ведут себя аналогично: они могут либо возрастать, либо оставаться неизменными.

В последние годы широкое развитие получили исследования в области термодинамики неизолированных, так называемых открытых систем, т.е. систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром. Открытыми являются биологические системы, в частности клетка живых организмов. Для таких систем энтропия может как возрастать, так и убывать.

В изолированных системах естественные процессы идут в направлении от упорядоченных структур к неупорядоченным, т.е. от порядка к беспорядку, хаосу. И в этом смысле можно говорить о том, что энтропия есть мера хаоса.

Для неизолированных, открытых, систем эволюция, например, живых организмов ведет от менее совершенных форм к более совершенным, от меньшего порядка в природе к большему, и в этих системах энтропия может не увеличиваться, а уменьшаться.

14. Принципы дополнительности, неопределенности, соответствия.Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г., когда физики столкнулись с ситуацией, что рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикой Ньютона), появились новые теории (теория относительности Эйнштейна), описывающие ту же область действительности. Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий, в частности, то, что никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.Поэтому теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.Каждая физическая теория как ступень познания является относительной истиной. Смена физических теорий — это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.

Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.Прежде всего, Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя, и, конечно, измерительные приборы для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам человек — существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира, — это макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире. Вместе с тем применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представлений об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки зрения классической науки они взаимно исключают друг друга, — это понятия частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей, сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет содержаться в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого — во взаимодействии прибора с объектом измерения.

15. Физические взаимодействия.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий:– гравитационному;– электромагнитному;– сильному;– слабому.Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии rдруг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:

F = G ? (m1m2)/r2. где G-гравитационная постоянная. В соответствии с квантовой теориейг' поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь является источником переменного магнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона,законом Ампераи другими, – и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла,связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных современных технических средств.

Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодей-ствием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

16. Принцип суперпозиции.

Принцип суперпозиции (наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Этот принцип выполняется при условии, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике он неуниверсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно.В микромире, наоборот, принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. Но, к сожалению, в квантовой теории принцип суперпозиции лишен той наглядности, которая характерна для механики Ньютона. Его интерпретируют так\: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т.е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из возможных состояний.

17. Концепции времени и пространства

В обосновании классической механики большую роль играли введен­ные И. Ньютоном понятия абсолютного пространства и абсолютно­го времени. Эти понятия лежат в основании субстанциальной кон­цепции пространства и времени, в соответствии с которой материя, абсолютное пространство и абсолютное время — три независимые друг от друга субстанции, начала мира.

Абсолютное пространство — это чистое и неподвижное вместили­ще тел; абсолютное время — чистая длительность, абсолютная равно­мерность событий. Ньютон считал, что вполне возможно допустить существование мира, в котором есть только одно абсолютное про­странство и нет ни материи, ни абсолютного времени; либо же суще­ствование мира, в котором есть пространство и время, но нет мате­рии; либо же существование мира, в котором есть только время, но нет ни пространства, ни материи. По мнению Ньютона, абсолютное пространство и абсолютное время — это реальные физические харак­теристики мира, но они не даны непосредственно органам чувств, и их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции; возможно, только в будущем физика сумеет найти реальные системы, соответст­вующие абсолютному пространству и абсолютному времени. В своей же повседневной действительности человек имеет дело с относитель­ными движениями, связывая системы отсчета с теми или иными конкретными телами, т.е. имеет дело с относительным пространст­вом и относительным временем.

Физики долгое время полностью придерживались субстанциаль­ной концепции Ньютона, повторяли его определения понятий абсо­лютного пространства и времени. Только некоторые философы критиковали понятия абсолютного пространства и абсолютного време­ни. Так, Г.В. Лейбниц, «вечный оппонент» Ньютона, выступил с кри­тикой субстанциальной концепции и отстаивал принципы реляционной теории пространства и времени, считая «пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство — поряд­ком существований, а время — порядком последовательностей. Ибо про­странство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия» *. Однако в XVIII в. критика субстанциальной концепции Нью­тона и философская разработка реляционной теории пространства и времени не оказали существенного воздействия на физику. Естест­воиспытатели продолжали пользоваться представлениями Ньютона об абсолютном пространстве и времени, различаясь между собой лишь признанием или непризнанием наличия пустого пространства.

Проблема пространства — особая проблема, объединяющая физи­ку и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свой­ства физического пространства являются свойствами евклидового пространства. Для многих это была само собой разумеющаяся исти­на. «Здравый смысл» был философски воплощен И. Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменные априорные «формы чувственного созерцания». Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, вообще являются единст­венно возможными.

Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был постав­лен в связи с открытием неевклидовой геометрии. Безуспешность попыток ряда ученых многих поколений доказать пятый постулат Евклида привела к мысли о его недоказуемости, а вместе с тем и о возможности построения геометрии, основанной на других постула­тах. Одним из первых пришел к этой мысли К.Ф. Гаусс, который еще в начале XIX в. начал размышлять над вопросом о возможности создания другой, неевклидовой, геометрии. Гаусс высказал мысль, что представления о свойствах пространства не являются априорными, а имеют опытное происхождение. Однако он не пожелал втягиваться в острую дискуссию и скрывал от современников свои идеи о возмож­ности неевклидовых геометрий.

Родиной неевклидовых геометрий стала Россия. В 1826 г. на засе­дании физико-математического факультета Казанского университета Н.И. Лобачевский сделал сообщение об открытии им неевклидовой геометрии, а в 1829 г. опубликовал работу «Начала геометрии», в которой показал, что можно построить непротиворечивую геомет­рию, отличную от всем известной и казавшейся единственно возмож­ной геометрии Евклида *. При этом Лобачевский считал, что вопрос о том, законам какой геометрии подчиняется реальное пространст­во — евклидовой или неевклидовой геометрии — должен решить опыт, и прежде всего астрономические наблюдения. Он полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и ее дви­жения, и считал вполне возможным, что «некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой геометрии» **, а вопрос о выборе той или иной геометрии должен решать астрономический опыт.

Спустя почти 40 лет после работ Лобачевского, в 1867 г. была опубликована работа Б. Римана «О гипотезах, лежащих в основании геометрии». Опираясь на идею о возможности геометрии, отличной от евклидовой, Риман подошел к этому вопросу с несколько иных позиций, чем Лобачевский. Он вводит обобщенное понятие про­странства как непрерывного многообразия п-го порядка или совокуп­ности однородных объектов — точек, определяемых системой чисел (x₁, х₂,..., х_n). Используя работы Гаусса по геометрии поверхностей в обычном трехмерном пространстве, Риман вводит для характеристи­ки многообразия n-го порядка понятие расстояния между бесконечно близкими точками ds и понятие кривизны для каждой точки этого многообразия. В искривленном пространстве нет прямых линий, а свойства геометрических фигур другие, чем на плоскости. Прямая заменена здесь линиями, которые являются кратчайшими расстоя­ниями между точками. С точки зрения Римана, вопрос о том, являет­ся ли геометрия нашего физического пространства евклидовой, что соответствует его нулевой кривизне, или эта кривизна не равна нулю, должен решить эксперимент. При этом он допускает, что свойства пространства должны зависеть от материальных тел и процессов, которые в нем происходят.

Кроме того, Риман высказал новое понимание бесконечности пространства. По его мнению, пространство нужно признать неогра­ниченным; однако если оно может иметь положительную постоян­ную кривизну, то оно уже не бесконечно, подобно тому как поверх­ность сферы хотя и не ограничена, но тем не менее ее размеры не являются бесконечными. Так зарождалось представление о разграни­чении бесконечности и безграничности пространства (и времени).

Идеи неевклидовых геометрий первое время имели весьма мало сторонников, так как противоречили «здравому смыслу» и устояв­шимся в течение многих веков воззрениям. Перелом наступил только во второй половине XIX в. Окончательные сомнения в логической правильности неевклидовой геометрии Лобачевского были развея­ны в работах итальянского математика Э. Бельтрами, который, раз­вивая идеи К. Гаусса в области дифференциальной геометрии для решения задач картографии, показал, что на поверхностях постоян­ной отрицательной кривизны (псевдосферы) осуществляется имен­но неевклидова геометрия. Интерес к работам Лобачевского и Рима­на вновь ожил и вызвал многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий и оснований геометрии. Здесь следует упо­мянуть «Эрлангенскую программу Ф. Клейна» (1872), которая вплоть до настоящего времени является руководящей не только для постро­ения новых систем геометрии, но и для теоретической физики. По Ф. Клейну, для построения геометрии необходимо задать: некоторое многообразие элементов; группу преобразований, дающую возможность отображать элементы заданного многообразия друг на друга. А геометрия должна изучать те отношения элементов, которые инва­риантны при всех преобразованиях данной группы. С этих позиций геометрические теории могут быть типологизированы следующим образом: геометрия Евклида, изучающая инварианты перемещений; аффинная геометрия; проективная геометрия (геометрия Лобачев­ского трактуется как часть проективной геометрии); конформная геометрия; топология (геометрия групп непрерывных преобразова­ний, т.е. таких, при которых сохраняется бесконечная близость точек), играющая большую роль в современной космологии, кванто­вой теории гравитации и др.

Развитие теории неевклидовых пространств привело в свою оче­редь к задаче построения механики в таких пространствах: не проти­воречат ли неевклидовы геометрии принципам механики? Если механику невозможно построить в неевклидовом пространстве, то зна­чит реальное неевклидово пространство невозможно. Однако иссле­дования показали, что механика может быть построена в неевклидовом пространстве.

И тем не менее появление неевклидовых геометрий, а затем «не­евклидовой механики» на первых порах не оказало влияния на физи­ку. В классической физике пространство оставалось евклидовым, и большинство физиков не видели никакой необходимости рассматри­вать физические явления в неевклидовом пространстве.

18. Общие и специфические свойства времени и пространства.

Из свойств материи быть объективной реальностью следует ОБЪЕКТИВНОСТЬ пространства и времени.
Второе свойство — АБСОЛЮТНОСТЬ. Третье - ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ. Четвертое общее свойство пространства и времени — БЕСКОНЕЧНОСТЬ, вытекающая из признания бесконечности материального мира. Пространство и время существуют вне и независимо от сознания человека, т.е. они объективны. Свойство абсолютности вытекает из признания тезиса о том, что бытие вне времени есть такая же бессмыслица, как и бытие вне пространства. Человеческие представления о пространстве и времени относительны. Из этих относительных представлений складывается абсолютная истина, эти относительные представления, развиваясь, идут по линии абсолютной истины, приближаясь к ней.
Так как существуют различные толкования понятия формы в отношении пространства и времени к движущейся материи, нет единодушия по поводу того, какие свойства пространства и времени имеют универсальный характер. Выяснение универсальных свойств пространства и времени связано с большими трудностями и предельными экстраполяциями всеобщих законов движения материи. Всякие суждения на этот счет отражают существующий уровень наших знаний и могут претерпевать существенные изменения в будущих теориях в соответствии с диалектикой абсолютного и относительного в научном познании. Познание развивается по линии преемственности объективных истин и интеграции достоверного содержания научных теорий. Многие современные теории об общих свойствах пространства и времени, проверенные и подтвержденные практикой и системой доказательств современной теории, сохранят свое значение и в будущей научной картине мира.