Теоретические основы измерений

Измерительный эксперимент – главный метод научного познания

Философия и физика

Основные концепции пространства и времени. Важнейшие философские проблемы, относящиеся к П. и В. - это вопросы о сущности П. и в., об отношении этих форм бытия к материи, об объективности пространственно-временных отношений и закономерностей.

На протяжении почти всей истории естествознания и философии существовали 2 основные концепции П. и в. Одна из них идёт от древних атомистов — Демокрита, Эпикура, Лукреция, которые ввели понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное (одинаковое во всех точках) и бесконечное (Эпикур полагал, что оно не изотропно, т е неодинаково по всем направлениям), понятие времени тогда было разработано крайне слабо и рассматривалось как субъективное ощущение действительности. В новое время в связи с разработкой основ динамики эту концепцию развил И. Ньютон, который очистил её от антропоморфизма. По Ньютону, П. и в. суть особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга Пространство само по себе (абсолютное пространство) есть пустое «вместилище тел», абсолютно неподвижное, непрерывное, однородное и изотропное, проницаемое - не воздействующее на материю и не подвергающееся её воздействиям, бесконечное; оно обладает 3 измерениями. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяжённость тел - их основное свойство, благодаря которому они занимают определённые места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами Протяжённость, по Ньютону, если говорить о простейших частицах (атомах), есть начальное, первичное свойство, не требующее объяснения Абсолютное пространство вследствие неразличимости своих частей неизмеримо и не непознаваемо. Положения тел и расстояния между ними можно определять только по отношению к др. телам. Др. словами, наука и практика имеют дело только с относительным пространством. Время в концепции Ньютона само по себе есть нечто абсолютное и ни от чего не зависящее, чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, но могут и не заполнять; ход событий не влияет на течение времени. Время универсально, одномерно, непрерывно, бесконечно, однородно (везде одинаково) От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отчал относительное время. Измерение времени осуществляется с помощью часов, т е движений. которые являются периодическими. П. и в. в концепции Ньютона независимы друг от друга. Независимость П и в. проявляется прежде всего в том, что расстояние между 2 данными точками пространства и промежуток времени между 2 событиями сохраняют свои значения независимо друг от друга в любой системе отсчёта, а отношения этих величин, (скорости тел) могут быть любыми.

Ньютон подверг критике идею Р. Декарта о заполненном мировом пространстве, т.е. о тождестве протяжённой материи и пространства.

Концепция П. и в., разработанная Ньютоном, была господствующей в естествознании на протяжении 17 — 19 вв., т.к. она соответствовала науке того времени — евклидовой геометрии, классической механике и классической теории тяготения. Законы ньютоновой механики справедливы только в инерциальных системах отсчёта. Эта выделенность инерциальных систем объяснялась тем, что они движутся поступательно, равномерно и прямолинейно именно по отношению к абсолютному П. и в. и наилучшим образом соответствуют последним.

Согласно ньютоновой теории тяготения, действия от одних частиц вещества к другим передаются мгновенно через разделяющее их пустое пространство Ньютонова концепция П. и в., т. о., соответствовала всей физической картине мира той эпохи, в частности представлению о материи как изначально протяжённой и по природе своей неизменной. Существенным противоречием концепции Ньютона было то, что абсолютное П. и в оставались в ней непознаваемыми путём опыта. Согласно принципу относительности классической механики, все инерциальные системы отсчёта равноправны и невозможно отличить, движется ли система по отношению к абсолютному П и в. или покоится. Это противоречие служило доводом для сторонников противоположной концепции П. и в., исходные положения которой восходят ещё к Аристотелю; это представление о П. и в. было разработано Г. Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Особенность лейбницевой концепции П. и в. состоит в том, что в ней отвергается представление о П. и в. как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от неё. По Лейбницу, пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, существующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. При этом Лейбниц в дальнейшем включал в понятие порядка также и понятие относительной величины. Представление о протяжённости отдельного тела, рассматриваемого безотносительно к другим, но концепции Лейбница, не имеет смысла Пространство есть отношение («порядок»), применимое лишь ко многим телам, к «ряду» тел. Можно говорить только об относительном размере данного тела в сравнении с размерами других тел. То же можно сказать и о длительности: понятие длительности применимо к отдельному явлению постольку, поскольку оно рассматривается как звено в единой цепи событий. Протяжённость любого объекта, по Лейбницу, не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния, что же касается самой природы времени как порядка сменяющихся явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь. Логически концепция Лейбница связана со всей его философской системой в целом.

Однако Лейбницева концепция П. и в. не играла существенной роли в естествознании 17 19 вв . т к она не могла дать ответа на вопросы, поставленные наукой той эпохи. Прежде всего. воззрения Лейбница на пространство казались противоречащими существованию вакуума (только после открытия физического поля в 19 в проблема вакуума предстала в новом свете); кроме того, они явно противоречили всеобщему убеждению в единственности и универсальности евклидовой геометрии; наконец, концепция Лейбница представлялась непримиримой с классической механикой, поскольку казалось, что признание чистой относительности движения не даёт объяснения преимущественной роли инерциальных систем отсчета. Т. о., современное Лейбницу естествознание оказалось в противоречии с его концепцией П. и в., которая строилась на гораздо более широкой философской основе Только два века спустя началось накопление научных фактов, показавших ограниченность господствовавших в то время представлений о П. и В.

Понятия пространства и времени в философии и естествознании 18—19 вв.

Философы-материалисты 18—19 вв. решали проблему П. и в. в основном в духе концепции Ньютона или Лейбница, хотя, как правило, полностью не принимали какую-либо из них. Большинство философов-материалистов выступало против ньютоновского пустого пространства. Ещё Дж Толанд указывал, что представление о пустоте связано со взглядом на материю как на инертную, бездеятельную. Таких же воззрений придерживался и Д. Дидро. Ближе к концепции Лейбница стоял Г. Гегель. В концепциях субъективных идеалистов и агностиков проблемы П. и в сводились главным образом к вопросу об отношении П. и в к сознанию, восприятию. Дж. Беркли отвергал ньютоновское абсолютное П. и в., но рассматривал пространственные и временные отношения субъективистски, как порядок восприятий; у него не было и речи об объективных геометрических и механических законах. Поэтому берклианская точка зрения не сыграла существенной роли в развитии научных представлений о П. и в. Иначе обстояло дело с воззрениями И. Канта, который сначала примыкал к концепции Лейбница. Противоречие этих представлений и естественнонаучных взглядов того времени привело Канта к принятию ньютоновой концепции и к стремлению философски обосновать её. Главным здесь было объявление П. и в. априорными формами человеческого созерцания, т. е. обоснование их абсолютизации. Взгляды Канта на II и в нашли немало сторонников в конце 18 - 1-й половине 19 вв. Их несостоятельность была доказана лишь после создания и принятия неевклидовой геометрии, которая по существу противоречила ньютоновому пониманию пространства. Отвергнув его, Н.И. Лобачевский и Б. Риман утверждали, что геометрические свойства пространства, будучи наиболее общими физическими свойствами, определяются общей природой сил, формирующих тела.

Воззрения диалектического материализма на П. и в. были сформулированы Ф. Энгельсом. По Энгельсу, находиться в пространстве — значит быть в форме расположения одного возле другого, существовать во времени — значит быть в форме последовательности одного после другого. Энгельс подчёркивал, что «... обе эти формы существования материи без материи суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове» (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т 20, с. 550).

Кризис механистического естествознания на рубеже 19 — 20 вв. привёл к возрождению на новой основе субъективистских взглядов на П. и в. Критикуя концепцию Ньютона и правильно подмечая её слабые стороны, Э. Мах снова развил взгляд на П. и в. как на «порядок восприятий», подчёркивая опытное происхождение аксиом геометрии. Но опыт понимался Махом субъективистски, поэтому и геометрия Евклида, и геометрии Лобачевского и Римана рассматривались им как различные способы описания одних и тех же пространственных соотношений. Критика субъективистских взглядов Маха на П и в. была дана В. И. Лениным в книга «Материализм и эмпириокритицизм».

Развитие представлений о пространстве и времени в 20 в.

В конце 19 — начале 20 вв. произошло глубокое изменение научных представлений о материи и, соответственно, радикальное изменение понятий П. и в. В физическую картину мира вошла концепция поля (см. Поля физические) формы материальной связи между частицами вещества, как особой формы материи. Все тела, т. о., представляют собой системы заряженных частиц, связанных полем, передающим действия от одних частиц к другим с конечной скоростью — скоростью света. Полагали, что поле — это состояние эфира, абсолютно неподвижной среды, заполняющей мировое абсолютное пространство Позже было установлено (X. Лоренц и др.), что при движении тел с очень большими скоростями, близкими к скорости света, происходит изменение поля, приводящее к изменению пространственных и временных свойств тел; при этом Лоренц считал, что длина тел в направлении их движения сокращается, а ритм происходящих в них физических процессов замедляется, причём пространственные и временные величины изменяются согласованно.

Вначале казалось, что таким путем можно будет определить абсолютную скорость тела по отношению к эфиру, а следовательно, по отношению к абсолютному пространству. Однако вся совокупность опытов опровергла этот взгляд. Было установлено, что в любой инерциальной системе отсчёта все физические законы, включая законы электромагнитных (и вообще полевых) взаимодействий, одинаковы. Специальная теория относительности (см. Относительности теория) А Эйнштейна, основанная на двух фундаментальных положениях - о предельности скорости света и равноправности инерциальных систем отсчёта, явилась новой физической теорией П. и в. Из неё следует, что пространственные и временные отношения — длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нём процессов — являются не абсолютными величинами, как утверждала ньютонова механика, а относительными. Частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущемся относительно неё частице как сферическая, а по отношению к налетающей на неё с очень большой скоростью частице — как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного π-мезона составляет ~10^-8 ссек, а быстро движущеюся (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Относительность пространственно-временных характеристик тел полностью подтверждена опытом. Отсюда следует, что представления об абсолютном П. и в. несостоятельны. П. и в. являются именно общими формами координации материальных явлений, а не самостоятельно существующими (независимо от материи) началами бытия. Теория относительности исключает представление о пустых П. и в., имеющих собственные размеры. Представление о пустом пространстве было отвергнуто в дальнейшем и в квантовой теории поля с его новым понятием вакуума (см. Вакуум физический). Дальнейшее развитие теории относительности (см. Тяготение)показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс. При переходе к космическим масштабам геометрия П.-в. не является евклидовой (или «плоской», т. е. не зависящей от размеров области П.-в.), а изменяется от одной области космоса к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения (см Космология), где изложен также вопрос о конечности или бесконечности П. и в.). В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. Т. о., развитие физики и астрономии доказало несостоятельность как априоризма Канта, т. е. понимания П. и в как априорных форм человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и ньютоновой догматической концепции П. и в.

Связь П. и в. с материей выражается не только в зависимости законов II. и в. от общих закономерностей, определяющих взаимодействия материальных объектов. Она проявляется и в наличии характерного ритма существования материальных объектов и процессов — типичных для каждого класса объектов средних времён жизни и средних пространственных размеров.

Из изложенного следует, что П. и в. присущи весьма общие физические закономерности, относящиеся ко всем объектам и процессам. Это касается и проблем, связанных с топологическими свойствами П. и в. Проблема границы (соприкосновения) отдельных объектов и процессов непосредственно связана с поднимавшимся ещё в древности вопросом о конечной или бесконечной делимости II и в . их дискретности и или непрерывности. В античной философии этот вопрос решался чисто умозрительно. Высказывались, например, предположения о существовании «атомов» времени (Зенон). В науке 17—19 вв. идея атомизма П. и в. потеряла какое-либо значение. Ньютон считал, что П. и в. реально разделены до бесконечности. Этот вывод следовал из его концепции пустых П. ив., наименьшими элементами которых являются геометрическая точка и момент времени («мгновения» в буквально смысле слова). Лейбниц полагал, что хотя П. и в. делимы неограниченно, но реально не разделены на точки — в природе нет объектов и явлений, лишённых размера и длительности. Из представления о неограниченной делимости П. и в. следует, что и границы тел и явлений абсолютны. Представление о непрерывности П. и в. более укрепилось в 19 в. с открытием поля; в классическом понимании поле есть абсолютно непрерывный объект.

Проблема реальной делимости П. и в. была поставлена только в 20 в. в связи с открытием в квантовой механике соотношения неопределённостей, согласно которому для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц. В действительности не существует реальных физических условий, при которых можно было бы измерить точное значение напряжённостей поля в каждой точке. Т. о., в современной физике установлено, что невозможна не только реальная разделённость П. и в. на точки, но принципиально невозможно осуществить процесс их реального бесконечного разделения. Следовательно, геометрическое понятия точки, кривой, поверхности являются абстракциями, отражающими пространственные свойства материальных объектов лишь приближённо. В действительности объекты отделены друг от друга не абсолютно, а лишь относительно. То же справедливо и по отношению к моментам времени. Именно такой взгляд на «точечность» событий вытекает из т. н. теории нелокального поля (см Нелокальная квантовая теория поля). Одновременно с идеей нелокальности взаимодействия разрабатывается гипотеза о квантовании П. и в., т. е. о существовании наименьших длины и длительности (см. Квантование пространства-времени). Сначала предполагали, что «квант» длины ~10^{-13 см} (порядка классического радиуса электрона или порядка «длины» сильного взаимодействия). Однако с помощью современных ускорителей заряженных частиц исследуются явления, связанные с длинами 10^-14 – 10^{-15 см;} поэтому значения кванта длины стали отодвигать ко всё меньшим значениям (10^-17, «длина» слабого взаимодействия, и даже 10 ^-33 см).

Решение вопроса о квантовании П. и в. тесно связано с проблемами структуры элементарных частиц. Появились исследования, в которых вообще отрицается применимость к субмикроскопическому миру понятий П. и в. Однако понятия П. и в. не должны сводиться ни к метрическим, ни к топологическим отношениям известных типов.

Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии П. и в. Ещё в 1918 (Э Нетер) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени - закон сохранения энергии, изотропности пространства - закон сохранения момента количества движения. Т. о., типы симметрии П. и в. как общих форм координации объектов и процессов взаимосвязаны с важнейшими законами сохранения. Симметрия пространства при зеркальном отражении оказалась связанной с существенной характеристикой микрочастиц — с их чётностью.

Одной из важных проблем П. и в. является вопрос о направленности течения времени. В ньютоновой концепции это свойство времени считалось само собой разумеющимся и не нуждающимся в обосновании. У Лейбница необратимость течения времени связывалась с однозначной направленностью цепей причин и следствий. Современная физика конкретизировала и развила это обоснование, связав его с современным пониманием причинности. По-видимому, направленность времени связана с такой интегральной характеристикой материальных процессов, как развитие, являющееся принципиально необратимым.

К проблемам П. и в., также обсуждавшимся ещё в древности, относится и вопрос о числе измерений П. и в. В ньютоновой концепции это число считалось изначальным. Однако ещё Аристотель обосновывал трехмерность пространства числом возможных сечений (делений) тела. Интерес к этой проблеме возрос в 20 в. с развитием топологии. Л. Брауэр установил, что размерность пространства есть топологический и инвариант - число, не изменяющееся при непрерывных и взаимно однозначных преобразованиях пространства В ряде исследований была показана связь между числом измерений пространства и структурой электромагнитного поля (Г. Вейль), между трехмерностью пространства и спиральностью элементарных частиц. Всё это показало, что число измерений П. и в. неразрывно связано с материальной структурой окружающего нас мира.

Теоретические основы измерений

(Понятия о материальной точке, о пространстве и времени, с точки зрения современного состояния науки. Пространство, время, взаимодействие, движение. Количественное представление и описание атрибутивных характеристик материи)

Физика изучает всё многообразие форм движения материи и взаимодействий материальных объектов. Задача физики состоит в экспериментальном исследовании различных форм движения материи и взаимодействий материальных объектов, с целью обобщения полученных экспериментальных данных в виде законов, на основании которых далее в каждом конкретном случае может быть предсказан, например, характер возникающего движения. Для этого необходимо знать не только свойства материальных объектов, движение которых рассматривается, но и характер тех сил, которые проявляются в результате их взаимодействия, в том или ином конкретном случае.

Физика и геометрия, физика и математика, …….

Пространство и время, движение - атрибутивные характеристики материи

Пространство и время, движение - всеобщие формы существования материи. П. и В. не существуют вне материи и независимо от неё. Иными словами, пространство, время движение можно рассматривать и как атрибутивные характеристики материи.

Пространственными характеристиками являются положения относительно др. тел (координаты тел), расстояния между ними, углы между различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяжённостью и формой, которые определяются расстояниями между частями объекта и их ориентацией). Временные характеристики — «моменты», в которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов. Отношения между этими пространственными и временными величинами называются метрическими. Существуют также и топологические характеристики П. и В. — «соприкосновение» различных объектов, число направлений. С чисто пространственными отношениями имеют дело лишь в том случае, когда можно отвлечься от свойств и движения тел и их частей: с чисто временными — в случае, когда можно отвлечься от многообразия сосуществующих объектов.

Однако в реальной действительности пространственные и временные отношения связаны друг с другом. Их непосредственное единство выступает в движении материи; простейшая форма движения — перемещение — характеризуется величинами, которые представляют собой различные отношения П. и В. (скорость, ускорение) и изучаются кинематикой.

Современная физика обнаружила более глубокое единство П. и В. (см. Относительности теория), выражающееся в совместном закономерном изменении пространственно-временных характеристик систем в зависимости от движения последних, а также в зависимости этих характеристик от концентрации масс в окружающей среде.

Для измерения пространственных и временных величин пользуются системами отсчёта.

По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются научные явления о П. и В. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей П. и В. можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.

Понятия П. и В. являются необходимой составной частью картины мира в целом, поэтому входят в предмет философии. Учение о П. и В. углубляется и развивается вместе с развитием естествознания и прежде всего физики. Из остальных наук о природе значительную роль в прогрессе учения о П. и В. сыграла астрономия и в особенности космология.

Развитие физики, геометрии и астрономии в 20 в. подтвердило правильность положений диалектического материализма о П. и В. В свою очередь диалектико-материалистическая концепция П. и В. позволяет дать правильную интерпретацию современной физической теории П. и В., вскрыть неудовлетворительность как субъективистского ее понимания, так и попыток «развить» её, отрывая П. и В. от материи.

Пространственно-временные отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, характерным для объектов того или иного класса, поскольку эти отношения определяются структурой материального объекта и его внутренними взаимодействиями. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, время жизни, ритмы процессов, типы симметрии, являются существенными параметрами объекта данного типа, зависящими также от условий, в которых он существует. Особенно специфичны пространственные и временные отношения в таких сложных развивающихся объектах, как организм или общество. В этом смысле можно говорить об индивидуальных П. и в. таких объектов (например, о биологическом или социальном времени).

Движение

С точки зрения современного состояния науки взаимодействие тел осуществляется посредством полей и передается с конечной скоростью — со скоростью света; совокупность тел и полей представляет собой единую материальную систему. Под влиянием взаимодействия тела могут изменять свое расположение относительно друг друга, т. е. перемещаться в пространстве. Вместе с тем изменение относительного расположения обладает длительностью, т. е. перемещение происходит не только в пространстве, но и во времени. Однако пространство и время не являются объектами, подобными телам, полям и т. д. Пространство и время представляют собой общие формы существования всех материальных объектов. Энгельс подчеркивал, что «...обе эти формы существования материи без материи суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове» (Ф. Энгельс. Диалектика природы. М., Политиздат. 1966, стр. 203.).

Создание общей теории относительности подтвердило правильность такого представления о пространстве и времени. По мнению Эйнштейна, основателя общей теории относительности, если бы исчезла материя, то исчезли бы и пространство и время.

Классическая механика изучает такие перемещения тел в пространстве и времени, при которых процесс передачи взаимодействия тел можно считать практически мгновенным; тем самым процессы, протекающие в самих полях, мы можем не рассматривать. Несмотря на это ограничение, область применимости классической механики очень велика (скорости тел должны быть малыми по сравнению со скоростью света). Отметим также, что большое количество понятий и аналитических приемов классической механики с успехом используется в других разделах теоретической физики.

Чтобы найти законы, управляющие различными изменениями, происходящими с течением времени, нужно сначала описать эти изменения и придумать какой-то способ их записи. Начнем с самого простого изменения, которое происходит с телом, — с изменения его положения в пространстве, т. е. того, что мы называем движением. Рассмотрим движущийся предмет, на который нанесена маленькая отметка; ее мы будем называть точкой. Неважно, будет ли это кончик радиатора автомобиля или центр падающего шара. Мы будем пытаться описать тот факт, что она движется, и как это происходит.

На первый взгляд это кажется совсем просто, однако в описании изменения есть много хитростей. Некоторые изменения описать труднее, нежели движение точки на твердом предмете. Например, как описать движение облака, которое не только медленно перемещается, но вдобавок еще изменяет свои очертания или испаряется? Или как описать капризы женского ума? Впрочем, поскольку изменения облака хотя бы в принципе можно описать с помощью движения всех отдельных молекул его составляющих, то вполне возможно, что и изменения мыслей обусловлены тоже какими-то перемещениями атомов в мозгу, хотя мы еще не знаем простого способа их описания.

Реальные движения тел настолько сложны, что, изучая их, нужно отвлечься от несущественных (для рассматриваемого движения) деталей. С этой целью используются понятия, применимость которых зависит от того, какое именно движение тел изучается. Среди этих понятий большое значение имеет понятие о материальной точке.