Свойства пространства и времени

Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция пространства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX в.

Основные положения этой картины мира, связанные с пространством и временем, заключаются в следующем.

- Пространство считалось бесконечным, плоским, "прямолинейным", евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве "вместилища" материальных тел, как независимая от них инерциальная система.

- Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной "единообразно и синхронно" и выступает как независимых материальных объектов процесс длительности, Фактически классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени "показывать последовательность события”. Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.

- Абсолютное время и пространство  служили основой для преобразований  Галилея-Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

- Принятие  абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с 6есконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного пространства, существующего независимо от времени.

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т. е. она рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механическими свойствами тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний между телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал Эйнштейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что "недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы". Из теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по словам Эйнштейна, явилось "самым важным достижением со времени Ньютона". Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения в рамках существовавшей в конце XIX в. физической картины мира требовал и отрицательный результат по обнаружению мирового эфира, полученный американским физиком А. Майкельсоном. Его опыт доказал независимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению. Некоторые физики пытались истолковать их как указывающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлении движения под действием возникающих при этом электромагнитных сил.

Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел математические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависимости от скорости движения.

Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

Таким образом, относительными оказывались и "длина", и "промежуток времени" между событиями, и даже "одновременность" событий. Иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время.

3. Свойства пространства  и времени

Какие же основные свойства пространства и времени мы можем указать? Прежде всего пространство и время объективны и реальны, т. е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней. Однако в истории науки и философии существовал и другой взгляд на пространство и время — как только субъективных всеобщих форм нашего созерцания.

Согласно этой точке зрения, пространство и время не присущи самим вещам, а зависят от познающего субъекта. В данном случае преувеличивается относительность нашего знания на каждом историческом этапе его развития. Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И. Канта.

Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развертывается в пространстве.

Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин — координат. В прямоугольной декартовой системе координат это — X, У, Z., называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат — радиус-вектор r и углы a и b (3. В цилиндрической системе — высота г, радиус-вектор и угол а.

В науке используется понятие многомерного пространства (и-мерного). Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному пространству оно не имеет отношения. Каждая координата, например, 6-мерного пространства может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности: температуру, плотность, скорость, массу и т. д. В последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 — пространственных и одно — временное. Затем из них возникает 4-мерный континуум (с лат. — непрерывное, сплошное).

В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время — необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необратимость времени и его направленность определяются причинной связью, так как причина всегда предшествует следствию. Однако очевидно, что понятие предшествования уже предполагает время. Более прав поэтому Г. Рейхенбах, который пишет: "Не только временной порядок, но и объединенный пространственно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры вселенной".

Необратимость времени в макроскопических процессах находит свое воплощение в законе возрастания энтропии. В обратимых процессах энтропия (мера внутренней неупорядоченности системы) остается постоянной, в необратимых — возрастает. Реальные же процессы всегда необратимы. В замкнутой системе максимально возможная энтропия соответствует наступлению в ней теплового равновесия: разности температур в отдельных частях системы исчезают и макроскопические процессы становятся невозможными. Вся присущая системе энергия превращается в энергию неупорядоченного, хаотического движения микрочастиц, и обратный переход тепла в работу невозможен.

Писатель-фантаст Р. Брэдбери в одной из своих повестей иллюстрирует свойство необратимости и однонаправленности времени на примере эксперимента, который, якобы, проводят существа, обитающие в четвертом измерении, над землянами. Они ставят над небольшим городком колпак, представляющий собой слой воздуха, в котором время на одну секунду отстает от течения времени в городке. Машины, идущие в город или из города, самолеты, взлетающие в воздух, обнаруживают вдруг невидимое препятствие и вынуждены возвращаться обратно. И в самом деле, невозможно вернуться во времени на любую долю секунды, и этот колпак является самым прочным препятствием для тех, кто мог бы проникнуть в город или выйти из него.

Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время — однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность — в равноправии всех направлений. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую можно принимать за начальную.

Указанные свойства пространства и времени связаны с главными законами физики — законами сохранения. Если свойства системы не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон сохранения. Это — одно из существенных выражений симметрии в мире. Симметрии относительно сдвига времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии по отношению поворота координатных осей (изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса, или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-временного интервала, его инвариантность и абсолютность по отношению ко всем системам отсчета.

В современной науке используются также понятия биологического, психологического и социального пространства и времени.

Биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов.

Психологическое пространство и время характеризуют основные перцептивные структуры пространства и времени, связанные с восприятиями. Перцептивные поля — поля вкусовые, визуальные и т. д. Выявлены неоднородность перцептивного пространства, его асимметрия, а также эффект обратимости времени в бессознательных и транспсихических процессах. Существует также синхронизм психических процессов, состоящий в одновременном параллельном проявлении идентичных психических переживаний у двоих или нескольких личностей.

Социальное пространство и время характеризуют особенности протяженности и пространственности социальных объектов. Неоднородность структурных связей в социальных системах определяется распределением социальных групп и величиной их социального потенциала, а также локальными метрическими свойствами объектов. Коммуникативные и интерактивные взаимодействия социальных структур фиксируют особенности параметров времени в ретрансляции социального опыта и одновременность в протекании социальных событий.

4. Системный подход при  изучении

физической картины мира

В основе системного подхода к изучению физической картины мира лежит необходимость человечества четко структурировать свои познания об окружающем мире. Человеку всегда было свойственно задаваться вопросом об устройстве всего сущего. Наиболее понятный и четкий в определениях всего окружающего подход нужен был человечеству. И оно придумало систематизацию и разбиение на структуры всего, что его окружало. Системный подход позволил человечеству разбить все многообразие явлений на определенные классы, различные сообщества - на системы. Он позволил говорить о системе человеческих взаимоотношений, системе налогообложения, системе питания в животном мире и т.д. Причем, говоря о какой-то системе, человек находил особые законы, которым следует эта система.

Соединение методов системного анализа с другими науками, теорией информации (обмен информацией между системами), векторным анализом в многомерном пространстве состояния и синергетикой открывает в этой области новые возможности. При исследовании любого объекта или явления необходим системный подход, что включает следующие основные этапы работы:

1. Выделение объекта исследования от общей массы явлений. Очертание контур, пределов системы, его основных частей, элементов, связи с окружающей средой. Установление цели исследования: выяснение структуры системы, изменение и преобразование её деятельности или наличие длительного механизма управления и функционирования. Система не обязательно является материальным объектом. Она может быть и воображаемым в мозгу сочетанием всех возможных структур для достижения определённой цели.
2. Выяснение основных критериев для обеспечения целесообразного или целенаправленного действия системы, а также основные ограничения и условия существования.
3. Определение альтернативных вариантов при выборе структур или элементов для достижения заданной цели. При этом необходимо учесть все факторы, влияющие на систему и все возможные варианты решения проблемы.
4. Составление модели функционирования системы. Существенность факторов определяется по их влиянию на определяющие критерии цели.
5. Оптимизация режима существования или работы системы. Градация решений по их оптимальному эффекту, по функционированию (достижению цели).
6. Проектирование оптимальных структур и функциональных действий системы. Определение оптимальной схемы их регулирования или управления.
7. Контроль за работой системы в эксплуатации, определение её надёжности и работоспособности. Установление надёжной обратной связи по результатам функционирования.