Пространство и время - Развитие физических представлений о пространстве и времени в истории естественных наук

Оглавление:

В истории науки рассмотрение идеологических понятий пространства и времени обычно начинается с сравнения понятий Демокрита и Аристотеля.

Первая из описанных здесь концепций, атомистическая доктрина, была разработана материалистами Древней Греции Леуциппом и Демокритом. Согласно этой доктрине, все природное разнообразие состоит из мельчайших частиц материи (атомов), которые движутся, сталкиваются и объединяются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) с этой точки зрения являются происхождением мира. Атомы не рождаются и не умирают; их вечность вытекает из бесконечности времени. Атомы движутся в пустоте бесконечное время. Бесконечное пространство соответствует бесконечному времени.

Сторонники этой концепции считали, что атомы физически неразделимы из-за их плотности и отсутствия пустоты. Набор атомов, не разделенных пустотой, становится одним большим атомом, который истощает мир.

В соответствии с атомистической концепцией пространства, Democritus решил вопросы о природе времени и движения. Позже они были разработаны Эпикуром уже в системе. Эпикур рассмотрел свойства механического движения на основе дискретной природы пространства и времени. Например, свойство изотахи в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. С математической точки зрения, суть изотахи состоит в том, что атомы проходят через «атом» пространства в «атоме» времени по мере своего движения.

Аристотель, в свою очередь, начинает анализ пространства и времени с общего вопроса о существовании времени, а затем превращает его в вопрос о существовании кратного времени. Аристотель проводит еще один анализ времени уже на физическом уровне, где он фокусируется на связи между временем и движением. Аристотель показывает, что время немыслимо, не существует без движения, но само по себе оно не является движением.

В такой модели времени реализуется так называемая реляционная концепция. Измерять время из этих позиций и выбирать единицы его измерения можно только с помощью любого периодического движения, но для того, чтобы полученная величина стала универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью. В современной физике это скорость света, в древней и средневековой философии это 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 до настоящего времени. Речь идет о логических учениях Аристотеля, на основе которых были разработаны первые научные теории, в частности, геометрия Евклида.

В геометрии Евклида, помимо определений и аксиом, есть постулаты, которые больше свойственны физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы задачи, которые считаются решенными. Этот подход представляет собой модель теории, которая работает и сегодня: Аксиоматическая система и эмпирическая база связаны между собой правилами эксплуатации. Геометрия Евклида, таким образом, является первой логической системой понятий, которая имеет дело с поведением некоторых природных объектов. Выбор Евклидом теории тел и световых лучей как объектов — большая заслуга.

Г. Галилей разоблачил противоречивость аристотелевского мировоззрения, как эмпирическую, так и теоретически-логическую. С помощью телескопа он продемонстрировал глубину революционных концепций Николая Коперника, разработавшего гелиоцентрическое мировоззрение.

Галилео, Декарт и Ньютон рассматривали разные комбинации понятий пространства и инерции: Галилео распознавал пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт приходил к идее прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон комбинировал пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение.

Развитие физических представлений о пространстве и времени в истории естественных наук

Во второй половине XIX века физики все чаще стали анализировать основы классической механики. Первоначально речь шла о концепциях пространства и времени в их ньютоновской интерпретации. Были предприняты попытки придать понятиям абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета новое содержание вместо того, которое дал Ньютон. Таким образом, в 70-е годы XIX века во Вселенной было введено понятие «тело» как такое тело, которое можно было считать неподвижным и, следовательно, считать происхождением абсолютной системы чтения. В связи с этим некоторые физики предложили взять центр тяжести всех тел во Вселенной за единое тело и полагали, что этот центр тяжести вполне можно рассматривать как находящийся в абсолютном покое.

В то же время ряд физиков придерживался противоположной точки зрения, что понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения, как движения относительно абсолютного пространства, не имеет никакого научного содержания, как и понятие абсолютной системы отсчета. Вместо концепции абсолютной системы отсчета они предложили более общую концепцию инерциальной системы отсчета (координат), которая не связана с концепцией абсолютного пространства. Из этого следует, что понятие абсолютной системы координат также становится бессмысленным. Другими словами, все системы, связанные со свободными телами, которые не затронуты никаким другим телом, одинаковы. Мы подчеркиваем, что инерциальные системы — это системы, движущиеся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.

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

Преобразования Галилея считались само собой разумеющимися на протяжении нескольких веков и не требовали оправдания. Но время показало, что это не так.

В конце XIX века немецкий физик и философ Э. Мах выступил с резкой критикой ньютоновской концепции абсолютного пространства. В основе идей Маха лежало убеждение, что «движение может быть единообразным по отношению к другому движению». Вопрос о том, является ли само движение единообразным, не имеет смысла» (в этом отношении Мах считал системы Птолемея и Коперника эквивалентными, хотя он считал последние более выгодными из-за их простоты. — E. Машина. Механика. — СПб, 1909. С. 187.).

С точки зрения Маха все движение не имеет смысла по отношению к пространству, о движении можно говорить только по отношению к телам, и поэтому все количества, определяющие состояние движения, являются относительными. Следовательно, ускорение также является относительной величиной. Более того, опыт не может дать никакой информации об абсолютном пространстве. Он обвинил Ньютона в отклонении от принципа, согласно которому в теории должны вводиться только те ценности, которые непосредственно вытекают из опыта.

Верно, что Маха слишком широко интерпретировал связь между естественными науками и философией. А от критики недостатков классической механики, от непризнания ньютоновского абсолютного пространства в целом, он пошел к непризнанию объективного существования пространства, рассматривая его как «упорядоченные системы серии ощущений».

Однако, несмотря на субъективно-идеалистический подход к проблеме относительности движения, послания Маха содержали очень плодотворные идеи, которые так или иначе не могли не способствовать появлению научной идеологии, приведшей к общей теории относительности. Здесь мы имеем дело с так называемым принципом Маха, согласно которому инерционные силы должны рассматриваться как эффект полной массы Вселенной. Впоследствии этот принцип оказал значительное влияние на А. Эйнштейн.

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

В сентябре 1905 г. в немецком журнале «AnnalenderPhysik» появилась статья Эйнштейна «Об электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основы особой относительности, объясняющей как негативный результат эксперимента Микельсона-Морли, так и значимость преобразования Лоренца, и содержащей новый взгляд на пространство и время.

Он видел, что за преобразованиями Галилея стоит некая концепция пространственно-временных отношений, не соответствующая физическому опыту и реально существующим пространственно-временным отношениям вещей. Таким слабым звеном в фундаментальных основах классической механики было понятие абсолютной синхронности событий. Это понятие, не осознавая своей сложной природы и не объясняя ее, использовалось классической механикой.

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 тела на электромагнитные явления. Прежде всего, Эйнштейн пришел к твердому убеждению в универсальности принципа относительности, т.е. к выводу, что в отношении электромагнитных явлений, а не только механических, все инерциальные системы отсчета абсолютно равны. Одновременно с принципом относительности Эйнштейн казался ясным и существованием инвариантности скорости света во всех инерциальных системах отсчета. В своих мемуарах он писал, что еще в 1896 году «у него возник вопрос: если бы мы могли отслеживать световую волну со скоростью света, было ли бы перед нами волновое поле, независимо от времени? Конечно, такая вещь кажется невозможной!»

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

Однако Эйнштейн находит выход из этой парадоксальной ситуации, анализируя концепцию одновременности. Этот анализ приводит его к выводу об относительной природе понятия. В реализации относительности одновременности лежит кульминация всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра понятий пространства и времени — основных понятий всей естественной науки.

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

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

Проблема пространства и времени в общая теория относительности А. Эйнштейна

Одной из причин создания общей относительности было намерение Эйнштейна освободить физику от необходимости введения инерциальных рамок в качестве фундаментальных рамок отсчета.

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

Это следующее утверждение особой относительности, согласно которому две выбранные материальные точки тела в покое всегда соответствуют интервалу определенной длины, независимо от местоположения и положения тела. и время, а два отмеченных показания стрелки часов, опирающихся на систему координат, всегда соответствуют интервалу времени определенной величины, независимо от местоположения и времени.

Специальная теория относительности не затрагивала проблему влияния материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейна уже непосредственно обращалась к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.

Эйнштейн исходил из известного факта равенства инерционной и тяжелой массы. Он видел в этом равенстве исходную точку, на основании которой можно объяснить загадку гравитации. Проанализировав свой опыт, Эйнштейн обобщил его результат до принципа эквивалентности: «Физически невозможно различить действие равномерного гравитационного поля и поля, создаваемого равномерно ускоренным движением» (В. Найдыш. Концепции современной естествознания. — М., 2000. с. 262.).

Принцип эквивалентности носит локальный характер и, как правило, не входит в структуру общей относительности, но помог сформулировать основные принципы, на которых строится 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 четырехмерное, его структура определяется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными к группе координатных преобразований.

Так что главный момент общей относительности заключается в том, что пространство и время существуют не как отдельные от материи особые сущности, а как формы существования самой материи.

Что касается Эйнштейна, то он сказал в этой связи: «Суть в этом»: Раньше считалось, что если каким-то чудом все материальные вещи внезапно исчезнут, то пространство и время останутся. Согласно теории относительности, пространство и время исчезали бы вместе с вещами» (А.Эйнштейн. Труды по теории относительности. — Москва. 1965. т. 1, с. 370).

В теории относительности предсказывались и объяснялись три общих релятивистских эффекта: предсказывались и вычислялись определенные значения сдвига перигелия Меркурия, предсказывалось и обнаруживалось отклонение световых лучей звезд при их прохождении около Солнца, предсказывался и обнаруживался красный гравитационный частотный сдвиг спектральных линий.

Здесь следует отметить, что фактические экспериментальные подтверждения общей относительности, конечно, крайне малы. Это связано с тем, что, хотя согласие теории с опытом достаточно хорошее, чистота экспериментов в большинстве случаев нарушается многими различными сложными побочными эффектами.

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

Геометризация гравитации была первым шагом на пути к единой теории поля. Первая попытка геометризации месторождения была предпринята Г.Вайлем, но она была проведена вне рамок риманской геометрии. В связи с этим данное направление не привело к успеху.

Классическая космология

Предпринимались также попытки ввести пространства более высокой размерности, чем четырехмерный риманский пространственно-временной коллектор: пятимерный, шестимерный и бесконечно-мерный пространственно-временной коллектор. Однако и таким образом проблему решить не удалось.

Еще одна современная единая теория поля — квантовая геометродинамика Дж. Уиллера — была предложена на пути пересмотра евклидовой топологии пространства-времени. В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводит понятие сверхпространства, как поля действия геометродинамики. В этом подходе каждое взаимодействие соответствует своей геометрии, и единство этих теорий состоит в существовании общего принципа, по которому генерируются заданные геометрии и соответствующие пространства «слоистые».

Основные постулаты релятивистской космологии могут быть представлены в сравнении с доэйнштейновскими идеями. Доэйнштейновские представления о Вселенной характеризуются следующим образом: Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и неподвижна во времени. Они заимствованы из ньютоновской механики — это абсолютное пространство и абсолютное время, последнее по своей природе является евклидовым. Эта модель казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые попытки применить физические законы и понятия к этой модели не привели к естественным выводам.

Даже классическая космология призывала к пересмотру некоторых фундаментальных позиций с целью преодоления противоречий в теории. В классической космологии таких утверждений было четыре: о стационарности Вселенной, ее однородности, изотропии и евклидовом характере космоса. Однако в рамках классической космологии противоречия преодолеть не удалось.

Модель Вселенной, вытекающая из общей относительности, включала в себя пересмотр всех фундаментальных положений классической космологии. Общая относительность определила гравитацию с кривизной четырехмерного пространства-времени. Для создания работоспособной, относительно простой модели ученые вынуждены ограничить универсальную ревизию фундаментальных положений классической космологии: общая относительность дополняется космологическим постулатом однородности и изотропии Вселенной.

Строгое соблюдение принципа изотропии Вселенной приводит к признанию ее однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие пространства и времени. Однако не абсолютное ньютоновское пространство и время, которые также были однородны и изотропны, а из-за евклидового характера пространства имели кривизну нуля. Применительно к неевклидовому пространству условия однородности и изотропии обуславливают постоянство кривизны, и существует три возможных модификации такого пространства: с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.

Возможность того, что пространство и время могут иметь различные значения постоянной кривизны, поставила в космологии вопрос, является ли Вселенная конечной или бесконечной. В классической космологии такой вопрос не возникал, потому что евклидовский характер пространства и времени четко обусловил их бесконечность. В релятивистской космологии, однако, возможен и вариант конечной вселенной — это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трехмерную сферу — автономное неевклидовое трехмерное пространство. Она конечна, хотя и бесконечна. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность противоречила общей относительности. Вселенная оказалась нестабильной и имела тенденцию либо расширяться, либо сжиматься. Для устранения этого противоречия Эйнштейн ввел в уравнения теории новую математическую величину, с помощью которой были установлены новые силы во Вселенной, пропорциональные расстоянию, которые могли быть представлены как привлекательные и отталкивающие силы.

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

Здесь темы курсовых работ по философии

Читайте дополнительные лекции: