Тема 7. Пространство, время, движение

Что есть пространство и что есть время? Более двух тысячелетий человеческое сознание пытается постичь очевидную и в то же время ускользающую суть пространственно-временного воплощения материального мира. Понятия пространства и времени важны не только потому, что упорядочивают вещи и явления, окружающие нас в повседневной жизни, но и потому, что они лежат в основе научных и философских построений.

Восточная философия всегда утверждала, что пространство и время – порождение ума. Епископ Беркли, философ, также полагал, что материальные тела, пространство и время – всего лишь иллюзия. Ознакомившись с мнением Беркли, его оппонент вскричал: «Я опровергаю это так!» – и ударил ногой по большому камню. Нас окружает не мир иллюзий, а реальный материальный мир, который развивается в соответствии с объективными законами. Мы пытаемся распознать и сформулировать законы природы. Но мы не можем этого сделать, не опираясь на понятия пространства и времени. Не оперируя этими понятиями, мы не можем дать описание какого-либо объекта или процесса. Представление о пространстве и времени – это основа основ, это холст, на котором пишется научная картина мира.

Рассмотрим вопрос рационально и познакомимся с теориями пространства и времени, получившими официальное признание в современной науке.

Определение пространства и времени.Пространство и время – формы существования материи. Считается, что нет материи вне пространства и времени и не существует пространства и времени вне материи.

Пространство – форма сосуществования материальных объектов и процессов, характеризует структурность и протяженность материальных систем. Время – форма последовательной смены явлений и состояний материи, характеризует длительность их бытия.

Главная метрическая характеристика пространства – протяженность, а времени – длительность. Современный уровень развития методов и техники эксперимента позволил установить максимальные и минимальные протяженности и длительности следующих порядков:

– размер области нашей Вселенной, доступной для наблюдения 10²⁶ м;

– размер элементарной частицы 10^–24 м;

– время существования Вселенной составляет 13,7 ± 0,2 млрд лет;

– время жизни нестабильных элементарных частиц, называемых «странными резонансами», 10^–24 с (за это время свет проходит через ядро атома водорода размером 10^–15 м).

Свойства пространства и времени. Законы сохранения.В настоящее время предполагается, что в целом в масштабах Вселенной, доступной для наблюдения, пространству и времени присущи определенные свойства. Каждому свойству симметрии пространства и времени, согласно теореме Э. Нетер, соответствует сохраняющаяся величина, для которой формулируется закон сохранения.

Непрерывность пространства состоит в том, что между любыми двумя точками пространства всегда можно найти третью. Пространство гладкое, без разрывов, нельзя выпасть из пространства.

Однородность пространства означает эквивалентность всех его точек. Перенос экспериментальной установки в пространстве не повлияет на результаты эксперимента. С этим свойством симметрии связана сохраняющаяся величина – импульc, который определяется как произведение массы тела на скорость его движения:p = mv. Закон сохранения импульса заключается в том, что в изолированной системе (на которую внешние силы не действуют) сумма импульсов всех тел не меняется с течением времени. При этом импульсы отдельных тел могут изменяться в процессе взаимодействия.

Изотропность пространства – эквивалентность всех направлений в пространстве. Поворот экспериментальной установки в пространстве не повлияет на результаты эксперимента. За счет этого свойства симметрии сохраняется момент импульса, который определяется как произведение массы тела на векторное произведение радиуса-вектора и скорости движения тела L = m[rv]. В изолированной системе (на которую внешние моменты сил не действуют) сумма моментов импульсов всех тел не меняется с течением времени.

Непрерывность времени заключается в том, что между любыми двумя моментами времени всегда можно найти третий. Нельзя выпасть из времени.

Однородность времени – эквивалентность всех его моментов. Перенос времени проведения эксперимента не повлияет на его результаты. Вследствие однородности времени сохраняется энергия. Различают энергию движения, или кинетическую, которая в классической механике рассчитывается по формуле , и энергию взаимодействия, или потенциальную, которая, например, для тела, поднятого на высоту h над земной поверхностью, зависит от высоты как Е_пот = mgh. Закон сохранения механической энергии: в консервативной механической системе (в которой нет трения) сумма кинетической и потенциальной энергий тела остается постоянной, независимо от того, где это тело находится в пространстве. Если в системе есть трение, то постепенно механическая энергия будет уменьшаться, переходя в тепловую.

Анизотропность времени есть отражение асимметрии, имеющей место в природе. Время самопроизвольно течет в одном направлении от прошлого к будущему, поэтому мы наблюдаем, что большинство процессов необратимы.

Математическое пространство.Пытаясь выразить сущность реального пространства, мы строим его модель. Любая модель содержит качественное описание объекта на уровне понятий, а также математический аппарат, позволяющий делать количественные оценки. Таким образом, физическому пространству ставится в соответствие абстрактное математическое пространство. Свойства математического пространства описывает геометрия.

Уверенность в том, что математика внутренне присуща природе, берет начало в греческой философии. Геометрия представляла собой основной раздел греческой математики и оказала сильное воздействие на греческую философию. Греческая философия усвоила ее метод построения теорем на основе принятых на веру, без доказательств, аксиом при помощи дедукции, и поэтому геометрия лежала в основе любой умственной деятельности – обучение философии тоже включало в себя геометрию. На воротах Академии Платона в Афинах было выбито изречение: «Не позволено входить тому, кто не сведущ в геометрии». Греки считали, что их математические теоремы являются выражением вечных, неоспоримых истин, а геометрические формы воплощают в себе абсолютную красоту. Геометрия считалась совершенным соединением логического и прекрасного, поэтому ей приписывалось божественное происхождение. Отсюда и афоризм Платона: «Бог – это геометр».

Как отмечает японский физик Рею Утияма, «можно сказать, что математическое пространство – это портрет реального, и этот портрет станет только совершеннее, если мы будем чаще исправлять его, соотнося с оригиналом». Когда появляется новая модель физического пространства, требуется изменение соответствующего математического пространства, требуется другая геометрия.

Плоское трехмерное математическое пространство, построенное Евклидом, хорошо подходит для описания явлений классической физики Ньютона. В специальной теории относительности Эйнштейна четырехмерный пространственно-временной континуум наглядным образом представляется как мир Минковского. Общая теория относительности вписана в рамки искривленного риманова пространства.

И все же абстрактное математическое пространство – это не более чем портрет. Реальное пространство сложнее идеализированных математических построений, которые не отражают, например, такие свойства физического пространства, как его способность обеспечивать распространение света или передавать электрическую и магнитную силы.

История развития представлений о пространстве и времени.Представления о сущности категорий пространства и времени начали складываться в Древней Греции. Их историческое развитие проходило по двум направлениям в тесной связи с различными философскими учениями.

Одно направление основано на идеях первых атомистов – Левкиппа, Демокрита, Эпикура и Лукреция, приписывающих пустоте особый вид бытия.

Всю, самое по себе, составляют природу две вещи:

Это, во-первых, тела, во-вторых же, пустое пространство,

Где пребывают они и где двигаться могут различно…

Действовать иль подвергаться воздействию тело лишь может,

Быть же вместилищем тел может только пустое пространство.

Лукреций «О природе вещей»

Идея пустого пространства воплотилась в ньютоновских понятиях абсолютного пространства и абсолютного времени.

Другое представление восходит от Аристотеля, трактовавшего пространство и время как определенные типы соотношений между объектами и их изменениями, не имеющих самостоятельного существования. Аристотель в сочинении, которое называлось «Физика», писал: «Не существует пустоты как чего-то отдельного. Всякое движение находится в некотором числовом отношении со всяким другим движением (так как оно существует во времени, а всякое время находится в отношении со временем)». Данная концепция была развита в специальной теории относительности Альбертом Эйнштейном, который ввел понятие единого неразделимого пространства-времени и установил, что протяженность предметов и длительность процессов относительны, их величины обусловлены скоростью движения наблюдателя.

Свойства пространства и времени, обусловленные влиянием массы, рассматриваются в общей теории относительности Эйнштейна.

Теория относительности рассматривается как необходимый элемент научного мировоззрения, поскольку представляет собой современную теорию пространства-времени. Утверждения, противоречащие ей, отбрасываются как неправильные.