Для связи в whatsapp +905441085890

Пространство и время в свете современной науки — Основные понятия физического пространства и времени

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с понятием пространства и времени, это нечто знакомое, известное и даже в некотором роде само собой разумеющееся. Однако в истории философии и естественных наук велись интенсивные дискуссии о сложных вопросах, которые возникали вместе с попытками понять смысл этих понятий.

В этом кратком изложении сделана попытка рассмотреть основные категории физической реальности, а именно пространство и время. Дебаты об этих категориях продолжаются, и вокруг них вращаются вопросы географии, особенно те, которые касаются как самостоятельного развития природы, так и изменений в ней под влиянием человека и его хозяйственной деятельности.

Важнейшее значение пространства и времени и их взаимосвязи в географии станет очевидным уже из рассмотрения связи древнейших наук о Земле, а именно географии и философии, которая осуществляется главным образом через соотношение объектов их исследования. Большую группу философских вопросов географии составляют ее теоретические проблемы, связанные с конкретизацией таких философских категорий, как «материя», «движение», «пространство», «время», «отражение» и др.

Также обсуждается история взглядов на пространство и время в философии и науке. Важно проследить, как менялось понимание этих категорий и их взаимосвязи с развитием науки, и чем современное понимание этих вещей отличается от древнего.

Основной темой данной работы является значение пространства и времени в географии, т.е. географическое пространство и географическое время, на которых будет сосредоточено основное внимание. Будет рассмотрена хоралогическая концепция А. Геттнера, возникшая в начале ХХ века, когда география начала изучать тела и явления как в пространстве, так и во времени. В 1965 году К.К.Марков опубликовал в журнале «Nature» статью о географическом пространстве и времени, в которой продемонстрировал серьезное мнение по вопросу о специфике географического пространства и времени. В настоящее время время время от времени публикуются статьи, посвященные проблеме пространства и времени в географии, что наглядно показывает, что с развитием географической науки интерес к ее философским вопросам не ослабевает.

Основные понятия пространства и времени.
О том, что такое пространство и время, люди задумывались еще в древности. В наиболее ясной форме понятия пространства и времени оформились в виде двух противоположных концепций, которые позже были названы концепциями Демокрита-Ньютона и Аристотеля-Лейбница. Первая концепция предполагала существование пространства как некой пустоты, не связанной с материальными объектами. Также считалось, что время — это независимая сущность, не связанная с материей и пространством. С точки зрения второй концепции, пространство и время не считались оторванными от вещей. В науке до конца XIX и начала XX века господствовала первая концепция. Древнегреческие философы Демокрит, Эпикур, Лукреций, Кар и другие, исходя из своего атомистического учения, понимали пространство как пустоту. Они считали, что для существования и движения атомов необходима пустота — своего рода контейнер, в котором атомы, соединяясь в движении различными способами, образуют множество тел. С развитием классической физики идеи Демокрита о природе пространства и времени получили дальнейшее развитие в работах Бруно, Галилея, Декарта и других. Особенно большой вклад в этом отношении внес Ньютон, который при создании классической механики искал универсальную систему отсчета, относительно которой происходит механическое движение тел. В качестве такой универсальной системы Ньютон выбрал пространство. Согласно Ньютону, пространство — это пустой абсолютный контейнер, в котором все тела пребывают как нечто внешнее. Все тела обладают протяженностью, не зависящей от существования других тел. Ньютон считал, что пространство трехмерно, непрерывно, однородно и изотропно. Его различные части не отличались друг от друга, и поэтому пространственные отношения были везде одинаковыми и описывались одной и той же геометрией — геометрией Евклида. Время — это чистая длительность, присущая каждому единичному явлению. Он также является абсолютным.

Пространство и время в свете современной науки - Основные понятия физического пространства и времени

Основные понятия физического пространства и времени

В истории науки рассмотрение философских концепций пространства и времени обычно начинается со сравнения концепций Демокрита и Аристотеля.

Первая изложенная здесь концепция — атомистическая доктрина — была разработана древнегреческими материалистами Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрине, все природное разнообразие состоит из мельчайших частиц материи (атомов), которые движутся, сталкиваются и соединяются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) с этой точки зрения являются первоосновой мира. Атомы не возникают и не исчезают; их вечность вытекает из безвременья времени. Атомы движутся в пустоте бесконечно долго. Бесконечное пространство соответствует бесконечному времени.

Сторонники этой концепции считали, что атомы физически неделимы из-за своей плотности и отсутствия пустоты. Множество атомов, не разделенных пустотой, становятся одним большим атомом, который исчерпывает весь мир.

В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит разрешил вопросы о природе времени и движения. Позже они были разработаны Эпикуром уже в системе. Эпикур рассматривал свойства механического движения на основе дискретной природы пространства и времени. Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. Математически суть изотахии заключается в том, что при движении атомы проходят через «атом» пространства за «атом» времени.

Аристотель, в свою очередь, начинает анализ пространства и времени с общего вопроса о существовании времени, а затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени. Другой анализ времени Аристотель проводит уже на физическом уровне, где он фокусируется на отношениях между временем и движением. Аристотель показывает, что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть само движение.

В такой модели времени реализуется так называемая реляционная концепция. Измерить время с этих позиций и выбрать единицы его измерения можно только с помощью какого-либо периодического движения, но чтобы сделать полученную величину универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью. В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии — скорость небесной сферы.

Для Аристотеля пространство функционирует как определенное отношение объектов материального мира и понимается как объективная категория, свойство природных вещей.

Система Аристотеля содержала положения, которые во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени. Речь идет о логических доктринах Аристотеля, на основе которых были разработаны первые научные теории, в частности, геометрия Евклида.

В геометрии Евклида, помимо определений и аксиом, есть постулаты, что более свойственно физике, чем арифметике. Постулаты формулируют проблемы, которые считаются решенными. Этот подход представляет собой модель теории, которая работает и сегодня: Аксиоматическая система и эмпирический базис связаны операционными правилами. Таким образом, геометрия Евклида является первой логической системой понятий, которая рассматривает поведение некоторых природных объектов. Выбор Евклидом теории тел и световых лучей в качестве объектов является большой заслугой.

Г. Галилей разоблачил несостоятельность аристотелевского мировоззрения как эмпирически, так и теоретико-логически. Используя телескоп, он продемонстрировал глубину революционных концепций Николая Коперника, который разработал гелиоцентрическое мировоззрение.

Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные комбинации понятий пространства и инерции: Галилей признавал пустое пространство и круговое инерционное движение, Декарт пришел к идее прямолинейного инерционного движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерционное движение.

Понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, введенные И. Ньютоном, сыграли важную роль в основании классической механики. Эти понятия лежат в основе субстанциальной концепции пространства и времени, согласно которой материя, абсолютное пространство и абсолютное время являются тремя независимыми субстанциями, началами мира.

Развитие физических понятий пространства и времени в истории естественных наук

Во второй половине XIX века физики стали все чаще анализировать основы классической механики. Первоначально речь шла о понятиях пространства и времени в их ньютоновской интерпретации. Были предприняты попытки придать понятиям абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета новое содержание взамен того, которое было дано Ньютоном. Так, в 70-х годах XIX века было введено понятие а-тела как такого тела во Вселенной, которое можно считать неподвижным и которое, следовательно, можно принять за начало абсолютной системы отсчета. В связи с этим некоторые физики предлагали принять центр тяжести всех тел во Вселенной за а-тело и считали, что этот центр тяжести вполне можно рассматривать как находящийся в абсолютном покое.

В то же время ряд физиков придерживался противоположной точки зрения, согласно которой концепция абсолютного прямолинейного и равномерного движения, как движения относительно абсолютного пространства, лишена научного содержания, как и концепция абсолютной системы отсчета. Вместо понятия абсолютной системы отсчета они предложили более общее понятие инерциальной системы отсчета (координат), которое не связано с понятием абсолютного пространства. Из этого следует, что понятие абсолютной системы координат также теряет смысл. Другими словами, все системы, связанные со свободными телами, на которые не влияет никакое другое тело, одинаковы. Подчеркнем, что инерциальные системы — это системы, движущиеся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.

Переход от одной инерциальной системы к другой происходит в соответствии с преобразованиями Галилея. Именно преобразования Галилея характеризуют законы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой в классической механике.

Преобразования Галилея в течение нескольких веков считались само собой разумеющимися и не требовали обоснования. Но время показало, что это не так.

В конце девятнадцатого века немецкий физик и философ Э. Мах выступил с резкой критикой концепции абсолютного пространства Ньютона. В основе идей Маха лежало убеждение, что «движение может быть равномерным по отношению к другому движению». Вопрос о том, является ли само движение равномерным, не имеет никакого значения» (В этом отношении Мах считал системы Птолемея и Коперника равноценными, хотя считал последнюю более выгодной из-за ее простоты.

С точки зрения Маха, всякое движение не имеет смысла по отношению к пространству, мы можем говорить о движении только по отношению к телам, и поэтому все величины, определяющие состояние движения, относительны. Следовательно, ускорение также является относительной величиной. Более того, опыт не может дать никакой информации об абсолютном пространстве. Он обвинил Ньютона в отступлении от принципа, что в теорию следует вводить только те величины, которые получены непосредственно из опыта.

Правда, Мах слишком широко трактовал связь естествознания и философии. И от критики недостатков классической механики, от непризнания ньютоновского абсолютного пространства вообще, он перешел к непризнанию объективного существования пространства, рассматривая его как «упорядоченные системы серий ощущений».

Однако, несмотря на субъективно-идеалистический подход к проблеме относительности движения, сообщения Маха содержали ряд весьма плодотворных идей, которые, так или иначе, не могли не способствовать возникновению научной идеологии, ведущей к общей теории относительности. Здесь мы имеем дело с так называемым принципом Маха, согласно которому инерционные силы должны рассматриваться как эффект общей массы Вселенной. Этот принцип впоследствии оказал значительное влияние на А. Эйнштейн.

К новым идеям о природе пространства и времени побудили физиков и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Так, согласно идее английского математика У. Клиффорда, высказанной в 70-х годах 19 века, многие физические законы можно объяснить тем, что определенные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может меняться со временем и что физику можно представить как разновидность геометрии (W. Clifford. О пространственной теории материи — Альберт Эйнштейн и теория гравитации. — М., 1979. С. 36.). Здесь можно подчеркнуть, что Клиффорд принадлежит к числу немногих предшественников теории гравитации Эйнштейна в XIX веке.

Проблема пространства и времени в специальной теории относительности А. Эйнштейна.

В сентябре 1905 года в немецком журнале «AnnalenderPhysik» появилась статья Эйнштейна «Об электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основы специальной теории относительности, которая объяснила как отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли, так и значение преобразования Лоренца, и содержала новый взгляд на пространство и время.

Он увидел, что за преобразованиями Галилея стоит определенная концепция пространственно-временных отношений, которая не соответствует физическому опыту и реальным пространственно-временным отношениям вещей. Таким слабым звеном в фундаментальных основах классической механики было понятие абсолютной одновременности событий. Это понятие, не осознавая его сложной природы и не объясняя его, использовала классическая механика.

По мнению автора, появлению статьи Эйнштейна «Об электродинамике движущихся тел», в которой впервые были изложены основы теории относительности, предшествовали 7-10 лет упорных размышлений о влиянии движения тел на электромагнитные явления. Прежде всего, Эйнштейн пришел к твердому убеждению в универсальности принципа относительности, то есть к выводу, что в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы отсчета абсолютно равноправны. Одновременно с принципом относительности Эйнштейну казалось очевидным и существование инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он писал, что еще в 1896 году «у него возник вопрос: если бы мы могли отслеживать световую волну со скоростью света, было бы перед нами волновое поле, не зависящее от времени? Конечно, такое кажется невозможным!».

Как можно совместить эти два принципа? Их одновременная работа кажется невозможной.

Однако Эйнштейн находит выход из этой парадоксальной ситуации, анализируя понятие одновременности. Этот анализ приводит его к выводу об относительном характере концепции. В осознании относительности одновременности лежит кульминация всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и времени — основных понятий всего естествознания.

В классической физике всегда предполагалось, что можно просто говорить об абсолютной одновременности событий во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал ошибочность этого представления.

Новое понимание одновременности, осознание ее относительности приводит к необходимости признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, необходимо одновременно отметить его границы на шкале. Но то, что является одновременным для наблюдателя в состоянии покоя, уже не является одновременным для наблюдателя в движении, поэтому длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть разной.

На следующем этапе формирования специальной теории относительности Эйнштейн придает математическую форму этим общим мысленным рассуждениям и, в частности, выводит формулы для преобразования координат и времени — «преобразования Лоренца». Но для Эйнштейна эти преобразования уже имеют другой смысл. Одно и то же тело имеет разную «истинную» длину, когда оно движется с разной скоростью относительно шкалы, используемой для измерения этой длины. То же самое можно сказать и о времени. Интервал времени, в течение которого длится процесс, различен при измерении часами, идущими с разной скоростью. В теории Эйнштейна величины тел и интервалы времени теряют свой абсолютный характер, ранее приписываемый им, и приобретают значение относительных величин, зависящих от относительного движения тел и приборов, с помощью которых производилось их измерение. Они имеют такое же значение, как и уже известные относительные величины, такие как скорость, траектория и т.д.

Проблема пространства и времени в общей теории относительности Эйнштейна

Одной из причин создания общей теории относительности было намерение Эйнштейна освободить физику от необходимости вводить инерциальные рамки в качестве фундаментальных систем отсчета.

Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в теории поля Фарадея-Максвелла и в специальной теории относительности. Эйнштейн подчеркнул важный момент, который до тех пор оставался нетронутым.

Это следующее утверждение специальной относительности, согласно которому двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует интервал определенной длины, не зависящий от места и положения тела, и времени, а двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно системы координат, всегда соответствует интервал времени определенной величины, не зависящий от места и времени.

Специальная теория относительности не касалась проблемы влияния материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн уже непосредственно рассматривал органическую взаимосвязь материи, движения, пространства и времени.

Эйнштейн начал с хорошо известного факта равенства инерционной и тяжелой массы. Он увидел в этом равенстве отправную точку, на основе которой можно объяснить загадку гравитации. Проанализировав свой опыт, Эйнштейн обобщил свой результат до принципа эквивалентности: «Физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, создаваемого равномерно ускоренным движением».

Принцип эквивалентности имеет локальный характер и обычно не включается в структуру общей теории относительности, но он помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория. Появились гипотезы о геометрической природе гравитации, о связи между геометрией пространства-времени и материей.

Кроме того, Эйнштейн выдвинул ряд математических гипотез, без которых невозможно было бы вывести уравнения гравитации: Пространство четырехмерно, его структура определяется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантны к группе преобразования координат.

Итак, основной смысл общей теории относительности заключается в том, что пространство и время существуют не как особые сущности, отдельные от материи, а как формы существования самой материи.

Что касается Эйнштейна, то он сказал по этому поводу: «Существенный момент заключается в следующем: Раньше считалось, что если каким-то чудом все материальные вещи вдруг исчезнут, то пространство и время останутся. Согласно теории относительности, пространство и время исчезли бы вместе с вещами».

Теория относительности предсказала и объяснила три общих релятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены определенные значения смещения перигелия Меркурия, предсказано и открыто отклонение световых лучей звезд при их прохождении вблизи Солнца, предсказано и открыто красное гравитационное смещение частоты спектральных линий.

Здесь следует отметить, что фактические экспериментальные подтверждения общей теории относительности, конечно, чрезвычайно малы. Это связано с тем, что, хотя согласие теории с опытом достаточно хорошее, чистота экспериментов в большинстве случаев нарушается множеством различных сложных побочных эффектов.

На основе ОТО были разработаны два фундаментальных направления современной физики: геометризация гравитации и релятивистская космология, поскольку с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.

Геометризация гравитации была первым шагом на пути к единой теории поля. Первая попытка геометризации поля была предпринята Г.Вейлем, но она была осуществлена вне рамок римановой геометрии. В силу этого обстоятельства данное направление не привело к успеху.

Также были попытки ввести пространства более высокой размерности, чем четырехмерное риманово пространство-время: пятимерные, шестимерные и бесконечномерные пространства-время. Однако и таким способом проблему решить не удалось.

На странице рефераты по философии вы найдете много готовых тем для рефератов по предмету «Философия».

Читайте дополнительные лекции:

  1. «Докритический» период в творчестве Канта — Проблемы докритического периода
  2. Философия познания
  3. Мигель де Унамуно и его философия
  4. Понятие «классической философии» и кризис культуры на рубеже xix-xx вв.
  5. Джон Локк
  6. История русской философии
  7. Смысл
  8. Типы научной рациональности
  9. Основатели философии нового времени
  10. Антропологический гуманизм и материализм Л. Фейербаха