В истории научного познания

⇐ ПредыдущаяСтр 39 из 57Следующая ⇒

Описание любых явлений в мире начинается с установления пространственных и временных характеристик. Построение картины мира невозможно без установления расстояний, длин, длительностей, частот, размерностей и т.п. Поэтому уже античные мыслители придавали особое значение разработке понятий «пространство» и «время». Демокрит допускал, что пространство можно отождествлять с пустотой, иначе невозможно движение тел. Эмпедокл возражал, подчеркивая, что рыба перемещающаяся в воде, не нуждается в пустоте. Евклид связал пространство с геометрическими представлениями, придал математический смысл пространственным и временным характеристикам, ввел понятие их однородности, а для пространства - бесконечности. Птолемей разработал геоцентрическую модель Солнечной системы, используя идеи Евклида.

В XVI в. Коперник коренным образом изменил картину мира, показав, что в пространстве Вселенной нет «центра вращения». Идея однородного пространства и равномерно текущего времени была распространена на весь мир. Бруно отождествил бесконечность пространства и времени с бесконечностью Вселенной. Но подлинное теоретическое, математическое и эмпирическое понимание сущности пространства и времени разработал Галилей. В механике он пользовался точными математическими формулами и экспериментальной проверкой расчетов пространственно-временных характеристик движущихся тел. Он разработал принцип относительности. Пространственные характеристики и время инвариантны (от лат. invarians – неизменяющийся) для систем движущихся равномерно и прямолинейно или находящихся в покое. Принцип Галилея верен для макропроцессов и небольших скоростей. Декарт нашел пути к объединению физики и геометрии, изобрел известную систему координат, в которой время могло быть представлено как одна из осей наряду с пространственными осями x, y или z. Он также отождествил свойства материальности и протяженности, ввел идею близкодействия, пришел к идее материальности пространства и видел сущность времени в длительности. В итоге утвердилась концепция физической природы пространства и времени.

И.Ньютон на базе этих достижений построил, ставшую потом классической, механистическую картину мира. Центральным в ней стал закон всемирного тяготения. Сила тяготения всеобща и универсальна. Она пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния. Тяготение обеспечивает внутреннюю целостность бесконечной Вселенной, в которой существует множество центров гравитации. Вселенная бесконечна в пространстве. Пространство и время абсолютны в том смысле, что они могут существовать независимо от материальных тел и даже тогда, когда материальные тела отсутствуют. Это субстанциальное понимание, которое надолго закрыло релятивистский (от лат. relativus – относительный) подход. Сущность пространства и времени Ньютон определяет через слово «вместилище» тел. С одной стороны, это порядок сосуществования, а с другой, в порядок последовательности. Абсолютность пространства и времени выражается абстрактно или математически. Относительное пространство и время выражается чувственно, они измерены в каких-то единицах – метрах, секундах и т.п. Таким образом, познание пространства и времени возможно как на теоретическом так и на эмпирическом уровне. Механика, математика, геометрия имеют дело с абсолютным пространством и временем. Ньютоновское понимание пространства и времени сыграло положительную роль в развитии науки тем, что позволило разработать абстрактно-математический аппарат для исчисления пространственных и временных отношений и зависимостей в макромире. Однако, допущение существования пространства и времени вне материи закрыло дорогу к пониманию физической их природы, зависимости свойств пространства и времени от материальных причин и факторов.

Лейбниц подверг критике ньютоновское учение о пространстве и времени. Пространство и время не могут существовать как абсолютные сущности, независимые от материи. Где нет материи, нет и пространства и времени. Лейбниц настаивал на том, что пространство и время – это системы отношений между объектами, которые можно фиксировать различными способами и измерениями. Поэтому его учение о пространстве и времени позже стали называть реляционной концепцией. В определенном смысле Лейбниц может рассматриваться как предшественник Эйнштейна, после которого утвердилось релятивистское понимание пространства и времени. Однако авторитет Ньютона и его механики, позволявшей удивительно точно производить расчеты положений небесных тел в прошлом, настоящем и будущем, не позволили идеям Лейбница утвердиться в науке вплоть до начала ХХ в. Поэтому классическая картина мира сложилась на базе ньютоновских идей и принципов.

Пространство рассматривалось как бесконечная, идеальная плоскость, допускающая линейные характеристики и исчисления. Такое пространство описывается геометрией Евклида. Для материальных тел оно выступает как абсолютная пустота, оно однородно и изотропно (tropos – поворот), в нем размещаются материальные тела. Реальное пространство трехмерно, что фиксируется декартовой системой координат, а физические свойства не зависят от направления движения или поворота координат.

Время одномерно, оно так же абсолютно и однозначно. Это чистая длительность, независимая от физического содержания событий во Вселенной. Равномерность течения времени позволяет синхронно фиксировать события в любом участке бесконечной Вселенной и независимо от системы отсчета. А в таких пространственно-временных представлениях стало возможным введение принципа дальнодействия, согласно которому гравитация, распространяясь прямолинейно и с бесконечной скоростью, связывает в каждый момент времени «все со всем». Как подчеркивал Ньютон, пространство и время «чувствилища» Бога. Теория Ньютона хорошо описывала движение макротел с конечным числом степеней свободы, с небольшой массой и скоростью, с механическими характеристиками. Вот почему открытие электромагнитных явлений обнаружило ограниченность классической механики. Максвелл и Томпсон установили, что в электромагнитных процессах силы действуют с конечной скоростью и не могут быть выше скорости света, что они действуют непрямолинейно и зависят от скорости. Стало очевидно, что классическая механика дает не полное описание мира, класс электромагнитных явлений из нее «выпадает». Существуют силы негравитационного характера, а их распространение имеет волновую природу. В научные представления вошло понятие поля, которое потребовало введения принципа близкодействия. Поле существовало в пространстве между объектами, но уже из микромира. Электромагнитное поле можно описать уравнениями, в которых обнаруживается зависимость величин, характеризующих электрические и магнитные его составляющие, с распределением в пространстве и времени зарядов и токов. Было сделано предположение, что волны электромагнитного поля распространяются через «эфир». Однако эмпирически в опытах Майкельсона было показано, что существование эфира не зависит от скорости движения Земли. Это явление невозможно было объяснить с позиций классической механики. Выход попытался найти Лоренц, который через математические преобразования показал, что пространственные и временные характеристики зависят от скорости, если она близка к скорости света. Эйнштейн, опираясь на преобразования Лоренца показал, что многие характеристики пространства и времени, например, такие как «длина» или «одновременность» относительны, что потребовало разработки новой теории.

Эйнштейн разработал две теории относительности – специальную (1905 г.) и общую (1916 г.). Эйнштейн пересмотрел идею одновременности событий, показав ее относительность. Он пришел к идее всеобщности принципа относительности, подчеркивая, что не только в отношении механических, но и электромагнитных явлений, инерциальные системы координат совершенно равноправны. Скорость света во всех инерциальных системах инвариантна, а при малых скоростях движения специальная теория относительности сводится к классической механике.

Одновременность событий можно установить методом синхронизации пространственно разделенных часов с помощью светового сигнала. Эйнштейн доказывает, что никакого абсолютного времени, текущего «само по себе» не существует. Время относительно, так как в каждой из инерциальных систем осуществим свой отсчет времени. Аналогичную логику Эйнштейн развил об относительности пространственных расстояний между физическими явлениями. В специальной теории относительности размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер. Абсолютность допускалась в классической механике. Пространство и время относительны, как относительны скорость, траектория и т.п. Таким образом, Эйнштейн изменил пространственно-временные представления в науке, дал релятивистское понимание сложения скоростей, показал, что масса тела так же является относительной величиной, что между массой и энергией существует соотношение эквивалентности по формуле E=mc². Главное отличие заключается в том, что в описание релятивистских явлений необходимо включены особенности наблюдения и сам субъект, т.е. стало ясно, что физическая теория описывает не столько процесс «сам по себе», сколько результат взаимодействия этого процесса со средствами наблюдения, по отношению к определенной системе отсчета.

При постоянстве скорости света для инерциальных систем физические величины длины, промежутка времени, массы и т.д. для разных систем отсчета будут различны. Так, например, длина тела в движущейся системе будет меньше по отношению к покоящейся:

где - длина в движущейся системе со скоростью , а - длина в покоящейся системе.

Время течет медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной по формуле:

где - время в движущейся системе, а - в неподвижной. Подчеркивая относительность пространственных и временных величин необходимо помнить, что неразрывная связь относительного и абсолютного (скорость света, например, абсолютна) диктуется законами сохранения симметрии. В этом плане связь пространства и времени существует как абсолютная величина и выражается формулой:

т.е. увеличение длины соответствует уменьшению времени и наоборот. В любой системе отсчета длина тела и промежуток времени будут различны, а пространственно-временной континуум (continuum - непрерывный) (по величине) останется неизменным (см. схему).

Схема

А	Б	В	Г	Д
36 дней	Почти 36 дней	5 мин. 20 сек.	Орбита Плутона (в 39,66 раза больше среднего расстояния Земля-Солнце)	0, 025
3 месяца	Почти 3 месяца	1,5 часа	1,5 светов. дня	0,064
1 год	Почти 1 год	2 дня 16 часов	23 светов. дня	0,25
4 года	3 года 6 мес.	6 мес.	0,85 светов. года	0,72
40 лет	11 лет 9 мес.	28 лет 3 мес.	18 светов. лет	0,995
400 лет	20 лет 8 мес.	379 лет 4 мес.	198 светов. лет	0,99995
4 000 лет	29 лет 7 мес.	3 970 лет 5 мес.	1998 светов. лет	0,9999995
40 000 лет	38 лет 7 мес.	39 961 год 5 мес.	(область ядра Галактики)	0,999999995
А - время, протекшее между вылетом и возвращением астронавтов, измеренное по часам на Земле Б - время, протекшее между вылетом и возвращением астронавтов, измеренное по его часам В - разность А минус Б Г - наиболее удаленная точка, достигнутая астронавтом Д - отношение наибольшей достигнутой скорости к скорости света

В общей теории относительности Эйнштейн попытался распространить принцип относительности не только на скорость, но и на ускорение, т.е. на неинерциальные системы. Стало возможно формулировать законы физики по отношению к любой системе. Эйнштейн исходил из факта эквивалентности инерционной и гравитационной массы, т.е. из эквивалентности инерционных и гравитационных полей. Эйнштейн распространил принцип эквивалентности сил инерции и гравитации на оптические и вообще любые физические явления. Иначе говоря, невозможно установить различие между гравитацией и ускорением. Наблюдатель, находящийся в закрытом лифте, не сможет различить движется ли лифт с ускорением или действует гравитация. Но, более того, тяготение (силы гравитации) проникают по всюду, так что ни один физический процесс или наблюдатель не может быть «заэкранирован» от действия этих сил. Следовательно, понятие инерциальной системе отсчета становится, строго говоря, условным. Пространство и время в любой точке обусловлено гравитационным полем. Эйнштейн предложил отождествить гравитацию с кривизной пространства и стал рассматривать события в не плоском, т.е. искривленном пространстве и времени. Обнаружилось, что геометрия Евклида применима только к плоскому пространству. Однако, возможны и другие геометрии. Н.И.Лобачевский и Б.Риман построили геометрии для пространств с отрицательной и положительной кривизной соответственно для псевдосферы и сферы. В Евклидовой геометрии нулевая кривизна, что позволяет утверждать, что сумма углов треугольника равна 180^о, в геометрии Лобачевского – отрицательная, а сумма меньше 180^о, и в геометрии Римана – положительная, что дает сумму больше 180^о и т.д. Эйнштейн утверждал, что «геометрическая природа мира образована массами и скоростями». Кривизна пространства непостоянна, она изменяется от точки к точке, а поле тяготения (гравитация) является не чем иным, как отклонением от Евклидова пространства.

Таким образом, движение в поле тяготения можно рассматривать как «инерционное», но происходящее в не Евклидовом пространстве, т.е. в пространстве с изменяющейся кривизной. Зная распределение масс в пространстве можно определить функции координаты и времени и, следовательно, записать уравнение линии движения материальной точки.

Эйнштейн в общей теории относительности отказался от многих понятий классической физики таких, как «инерциальная система», «потенциальная энергия», «Евклидово пространство», «сила» и т.п. Эйнштейн пользуется «нежесткими» телами для системы отсчета, она может двигаться произвольным образом, может изменяться и т.д., но в его теории связаны воедино инерция, гравитация и метрика пространства-времени; допускается возможность гравитационных волн, что позволяет рассматривать вещество как чрезвычайно сильное поле. Поэтому он мог утверждать, что «вместе с вещами исчезает пространство и время», там, где нет материи нет ничего, т.е. пространство и время – это только формы соотнесения объектов и состояний, они по своей природе производны от содержания физических процессов. Несмотря на это, пространство и время не менее объективны и реальны, чем сами физические объекты, т.е. они существуют независимо от сознания человека, который способен познавать их. Пространство и время имеют всеобщий характер, т.е. нет событий в материальном мире, которые могли осуществиться вне пространства и времени. Считается, что реальное (физическое) пространство трехмерно, что наглядно фиксируется прямоугольной системой координат Декарта, хотя в абстрактно-математических расчетах допустимы 6, 8 и более 10 измерений, которые могли быть в первый момент существования Вселенной после большого взрыва.

Время одномерно, необратимо в силу действия законов сохранения. Нельзя вернуть объект в исходное состояние, не затратив на это энергию и работу, что неизбежно вызовет их перераспределение между системами, а, следовательно, с необходимостью будет вызывать процесс поступательности состояний, а значит возможность объективно и необходимо различать всегда прошлое и настоящее и экстраполировать будущее. Реальные процессы всегда сопровождаются эффектом необратимости. Пространство обладает равноправием всех его точек и направлений движения, что фиксируется понятием однородности и изотропности. Однородность характерна и для времени, т.е. в нем нет преимущественной точки отсчета. Эти особенности пространства и времени глубоко связаны с законами сохранения и симметрии в физическом мире. Так, например, закон сохранения энергии не нарушается при однородности времени; закон сохранения импульса – при однородности пространства; закон сохранения момента импульса – в условиях изотропности пространства и т.д.

Во второй половине ХХ в., с открытием разнообразных элементарных частиц и соответствующих им полей, стала разрабатываться теория единого поля, где сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные силы были объединены. Это вызвало поиски геометризированной единой теории поля, которая должна будет показать, что в мире нет ничего, кроме искривленного пространства, а материя, заряд, электромагнетизм и др. есть лишь проявление этого пространства. Физика может быть сведена к геометрии, т.е. к созданию геометродинамики, где функции гравитационного поля могут изменять топологический характер мира. Теоретические исследования показывают, что там, где изменяется топология пространственно-временного континуума – возможны изменения законов природы: причинности, теряет свой смысл понятие расстояния и др. Так, например, движение квазаров относительно друг друга возможно со скоростью в 25 раз больше скорости света! Все это говорит о том, что с построением общей теории относительности познание пространственно-временной сущности Вселенной далеко не закончилось и решило не все проблемы современной картины мира.

Современная наука разрабатывает понятия «биологическое», «психологическое» и «социальное» пространство и время. Специфику биологического пространства и времени впервые начал анализировать В. Н. Вернадский, подчеркнув наличие асимметричности пространственных структур органических молекул; явное проявление «левизны» в материальном субстрате живого вещества. Так например, белки содержат только «левые» аминокислоты, а нуклеиновые кислоты – только «правые» сахара. Это обеспечивает молекулярную комплементарность, структурное соответствие при взаимодействии молекул. В эволюции живого произошло разрушение зеркальной симметрии, а возникшая асимметрия живого получила название «хиральности» живых организмов (от греч. heir – рука).

Особенности «психологического» пространства и времени проявляется в моторном поле психики индивида, когда он зондирует внешнюю среду во всех возможных направлениях и формирует поли модальный образ пространства и времени без жесткой привязки координат; осознание относительности положения индивида, несущественность право – левосторонней симметрии, акцент на топологии, а не на метрике и т. д. Социальное пространство проявляется через структурную организацию социальных процессов, а социальное время – через темпы и интенсивность социальных действий, причем одновременно как в реально физической, так и виртуальной форме. Пространство и время в виртуальной реальности имеет глубокую специфику в топологии и пластике по сравнению с пространством и временем в объективной социальной реальности.

В целом, в современной науке идет широкая разработка проблем пространства и времени; предпринимаются попытки экстраполировать физико – математические модели пространства и времени в самые различные области современной научной картины.

Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 25; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 34 35 36 37 383940 41 42 43 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!