Эволюция представлений о пространстве и времени

движение  с максимальной скоростью. В современной  физике это скорость света,

в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.

Пространство  для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения

предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как

свойство  природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его

модели  мира. Она была построена на очевидных  явлениях земного мира. Но это

лишь  один из уровней космоса Аристотеля. Его космологическая модель

функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого

совпадал с центром Земли. Космос был разделен на земной и небесный уровни.

Земной  состоит из четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня (идея

первичных элементов всего сущего оказалась, таким образом, довольно

устойчивой); небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом

движении. Эта модель просуществовала около  двух тысячелетий.

На  Аристотелевой картине мира базировалась и геометрия Эвклида (3 в. до

н.э.), столь надежно служившая человечеству на протяжении многих веков,

пока  практическая деятельность и научные опыты не выходили за пределы ее

применимости. В геометрии Эвклида представлена модель теории, которая

работает  и сегодня: аксиоматическая система  и эмпирический базис

связываются операционными правилами. Геометрия  Эвклида является первой

логической  системой понятий, трактующих поведение  каких-то природных

объектов. Огромной заслугой Эвклида является выбор в качестве объектов

теории  твёрдого тела и световых лучей. Трехмерная модель пространства,

определенная  Эвклидом, стала основой для последующего – отсроченного более

чем на тысячу лет – развития классической механики.

Дальнейшее  развитие знаний и представлений  о пространстве и времени связано

с именами  Галилея, Декарта и Ньютона, которые  рассматривали различные

сочетания концепций пространства и инерции: у Галилея признаётся пустое

пространство  и круговое инерциальное движение, Декарт дошёл до идеи

прямолинейного  инерциального движения, но отрицал  пустое пространство, и

только  Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное

движение. Для Декарта не характерен осознанный и систематический учёт

относительности движения. Его представления ограничены рамками

геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы

как инерциального сопротивления изменению. Для Ньютона же характерна

динамическая  трактовка массы, и в его системе  это понятие сыграло

основопологающую  роль. Тело сохраняет для Декарта  состояние движения или

покоя, ибо это требуется неизменностью  божества. То же самое достоверно для

Ньютона вследствие массы тела. Понятия пространства и времени вводятся

Ньютоном  на начальном уровне изложения, а  затем получают своё физическое

содержание  с помощью аксиом через законы движения. Однако они предшествуют

аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом: законы движения

классической  механики справедливы в инерциальных системах отсчёта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному

пространству  и времени. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов.

Таким образом, субстанциональная концепция  пространства-времени, ведущая начало от Демокрита, нашла наиболее яркое воплощение в классической физике

И. Ньютона. Идея абсолютного пространства и  времени И. Ньютона

соответствовала определенной физической картине мира, а именно его взглядам на материю как на совокупность отграниченных друг от друга атомов, обладающих неизменным объемом, инертностью (массой) и действующих друг на друга мгновенно, либо на расстоянии, либо при соприкосновении. Пространство, по Ньютону, неизменно, неподвижно, его свойства не зависят ни

от  чего, в том числе и от времени, они не зависят ни от материальных тел, ни от их движения. Можно убрать из пространства все тела, но пространство

останется и свойства сохранятся. Получается, что пространство – это как бы грандиозное вместилище, напоминающее перевернутый вверх дном огромный ящиков который помещена материя. Свойства подобного пространства, по Ньютону, определяются геометрией Эвклида. Такими же были взгляды Ньютона и на время.Он считал, что время течет одинаково во Вселенной и это течение не зависит

ни  от чего, – а поэтому время  абсолютно, ибо оно определяет порядок

следования  и длительность существования материальных систем.

Однако  развитие науки привело к появлению разногласий между механикой и

оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 300'000 км/с. опыт А.Майкельсона (1881 г.) позволил опровергнуть гипотезу о

существовании «эфира» как особого вида материи. Таким образом, возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления всё хуже сводились к механике. Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла: свет оказался разновидностью электромагнитных волн.

   Пространство и время в теории  относительности Альберта Эйнштейна

Субстанциональной концепции пространства-времени  со времен Аристотеля

противостояла релятивистская. Согласно этой концепции пространство и время - не самостоятельные сущности, а системы отношений, образуемые

взаимодействующими  материальными объектами. Соответственно свойства

пространства  и времени зависят от характера  взаимодействия материальных систем. Наиболее последовательно она проведена в неэвклидовой геометрии

Лобачевского  и Римана и в теории относительности  А. Эйнштейна. Именно их теоретические положения исключили из науки понятия абсолютного пространства

и абсолютного  времени, обнаружив тем самым несостоятельность

субстанциональной трактовки пространства и времени, как самостоятельных,

независимых от материи форм бытия. Именно эти  учения, особенно общая и специальная теория относительности обосновали зависимость пространства и времени, их свойство от характера движения материальных систем.

1 Специальная  теория относительности

В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира. Отрицательные результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности

скорости  света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики. Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла

для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла:

«Два  события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной». Возникала необходимость развить теорию преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Эйнштейн пришел к формулировке преобразований Лоренца, из которых вытекало отрицание

неизменности  протяжённости и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчёта.

В специальной  теории относительности функционирует  новый закон сложения скоростей, из которого вытекает невозможность превышения скорости света в вакууме. Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве

внутренних  элементов движения материи структура  которых зависит  от природы самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца оказываются связанными с новыми свойствами пространства и времени: с относительностью длины и временного промежутка, с равноправностью

пространства  и времени, с инвариантностью  пространственно-временного

интервала.Таким  образом, сформулированная в 1905 г. А. Эйнштейном специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. В основе специальной теории относительности лежат постулаты

Эйнштейна:

    - принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой;- принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый  постулат, являясь обобщением механического  принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. механические, электродинамические, оптические и прочие явления и процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света в вакууме

является  одним из фундаментальных свойств  природы. Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время. Из специальной теории относительности следуют новые

пространственно-временные  представления, такие, например, как