Современные представления о пространстве и времени

ВВЕДЕНИЕ

 

Все, что существует во Вселенной, живое и неживое, имеет  пространственно-временное измерение Пространство и время неотделимы от материи, неразрывно связаны с ее движением и друг с другом, количественно и качественно бесконечны. Таким образом, материя, пространство, время, движение являются основными понятиями науки.

Стремление понять окружающий мир, представить его структуру, сформулировать частные и общие  законы его существования и развития на основе изучения взаимосвязей между  природными явлениями и процессами всегда было присуще человечеству.

Так, древние греки  создали две точные науки: геометрию, выросшую из техники землемерия, и  астрономию, вызванную к жизни  необходимостью измерять время.

Мы познаем мир, прежде всего с помощью органов чувств — естественных физических приборов человеческого организма.

Основную информацию, формирующую наши представления  об этом мире, мы получаем через органы зрения — глаза, но они иногда "обманывают" нас. При достаточно быстром движении наблюдаемых нами объектов глаза "смешивают" их изображения (на этом явлении основано кино), погруженная в воду палка кажется преломленной, а оптические иллюзии (миражи, гало и т. д.) мы принимаем за реально существующие явления.

Мир наполнен самыми разнообразными звуками, по не все из них мы воспринимаем, зато людям с различными психическими отклонениями могут слышаться не существующие в данный момент звуки (слуховые галлюцинации).

В достаточной степени  субъективны и наши вкусовые ощущения, восприятие запахов (обоняние), осязание, тепловые ощущения (озноб у больного, купание закаленных людей — "моржей" — в проруби), чувство боли.

Постепенно человек  научился создавать приборы и  системы для получения объективной информации об окружающем мире.

В связи с этим целью данного реферата является рассмотрение и изучение современных представлений о пространстве и времени.

В соответствии с поставленной целью в работе предполагается решить следующие задачи:

- рассмотреть представления  о пространстве;

- изучить представления  о времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОСТРАНСТВЕ И

ВРЕМЕНИ

 

1. 1. Представления о пространстве. Эволюция базовых понятий

пространства

 

Евклид построил геометрию  трехмерного пространства, известную  в научном обиходе как евклидова  геометрия. Для определения положения в пространстве Рене Декарт (1596—1650) ввел прямоугольную систему координат ("декартовы координаты") — х, у, z. Физический мир Декарта состоит из двух сущностей: материи (простой "протяженности, наделенной формой") и движения. Поскольку "природа не терпит пустоты" (Аристотель), у него протяженность заполнена "тонкой материей", которую Бог наделил непрерывным движением. Установив законы движения, Декарт записал механически все мировые процессы и на основе своих законов движения построил "космологический роман" (трактаты "Мир" и "Начала философии").

Декартово представление  о флюидах, заполняющих пространство, господствовало в науке XIX и частично XX вв., оказав существенное влияние на развитие таких разделов физики, как оптика и электричество. Вес, как и любая сила, у Декарта является свойством движения тонкой материи, отождествляемой с пространством. Поэтому механицизм Декарта сводит силы к свойствам пространства.

Исаак Ньютон (1643—1727) открыл новые свойства пространства, изучая движение перемещающихся тел. Он рассматривал пространство как субстанцию, способную динамически действовать на материальные тела. Модель пространства, предложенная Ньютоном, — это модель независимо существующей субстанции, в которой могут перемещаться материальные тела и частицы света. Поэтому каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если эти события произошли в разные моменты времени. Определить положение тела в пространстве можно только относительно системы каких-то объектов, поэтому имеет смысл говорить о скорости объекта в пространстве, поскольку ощущается лишь неравномерное движение (а не движение с постоянной скоростью). Ньютон в своих "Математических началах натуральной философии" (1687) перевел на математический язык сугубо обыденные ощущения, записав законы движения так, что они определяются только ускорением.

Таким образом, все равномерные  движения у Ньютона относительны, а ускоренные — абсолютны. Причины, вызывающие ускоренные движения, он назвал силами. Силы пропорциональны ускорению тел с коэффициентом М, называемым инертной массой: F=Mω. Если этот закон Ньютона прочесть справа налево, то из него следует, что при равномерном движении системы ее составные части не испытывают силового воздействия. Это значит, что равномерное движение нельзя механическими средствами отличить от другого такого же состояния, следовательно, и пространство само по себе не оказывает силового воздействия на движущиеся тела. Механика Ньютона позволяет наблюдать в пространстве только ускоренные движения. Ускорение приводит к возникновению сил инерции. Таковы, например, давление ног человека, направленное вниз при кратковременной остановке лифта, движущегося в направлении вверх, или центробежная сила на вращающейся карусели. Ньютон приписывал появление сил инерции пространству, в котором происходит ускорение, доказывающее реальность существования его пространства.

После создания теории электромагнетизма  Максвелла появилась возможность использовать оптические явления — распространение световых сигналов — для измерения скорости движения в пространстве. Это движение можно было определить по его перемещению относительно эфира — некоей жидкости, заполняющей пространство. Теория Максвелла предсказывала, что свет распространяется в эфире с постоянной скоростью, зависящей от "упругости" эфира. Тогда скорость света, измеренная наблюдателем, должна быть разной в зависимости от того, в каком направлении свет распространяется — по течению в эфире или против. Но опыт, проведенный в 1887г. Альбертом Майкельсоном (1852—1931) и Эдвардом Морли (1838—1923), показал, что эффекта, связанного с эфиром, нет, т.е. и нет самого эфира. 

 

1.2. Теория  пространства

 

Стало ясно, что необходимо отказаться от наглядных и привычных  ньютоновых представлений о пространстве и времени, и в 1905г. Альберт Эйнштейн (1879—1955) предложил совершенно новую теорию пространства и времени — так называемую специальную теорию относительности (СТО). Основу его теории составляют два постулата: 1 — скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света; 2 — все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Принятие этих принципов означало изменение длин и времен в соответствии с преобразованиями Лоренца для тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Это было уже кардинальное преобразование наглядных представлений. "Отныне пространство и время, взятые по отдельности, обречены влачить призрачное существование, и только единство их обоих сохранит реальность и самостоятельность" (Г. Минковский). Время и пространство объединяются в 4-мерное пространство-время.

В 1916г. Эйнштейн включил СТО в  свою общую теорию относительности (ОТО), или обобщенную теорию тяготения. Свойства пространства и времени в его теории определяются распределением и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тяготеющих масс, а следовательно, и поля тяготения, пространство искривляется, становится неевклидовым.

Хотя соотношение между  количеством материи и степенью кривизны простое, но сложны расчеты — для описания кривизны в каждой точке нужно знать значения двадцати функций пространственно-временных координат. Десять функций соответствуют той части кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, т. е. в виде "ряби" кривизны, остальные десять — определяются распределением масс, энергии, импульса, углового момента, внутренних напряжений в веществе и значения универсальной гравитационной постоянной G. Из-за малости величины G нужно много масс, чтобы существенно "изогнуть" пространство-время. Поэтому 1/G подчас рассматривают как меру жесткости пространства-времени. С точки зрения нашего повседневного опыта пространство-время очень жесткое. Вся масса Земли создает кривизну, составляющую порядка одной миллиардной кривизны своей поверхности. Чтобы представить кривизну пространства-времени вблизи Земли, подбросим мяч в воздух. Если он будет находиться в полете 2с и опишет дугу в 5м, то свет за эти 2с пройдет расстояние 600 000км. Если представить дугу высотой 5м, вытянутую по горизонтали до 600 000км, то ее кривизна и будет соответствовать кривизне пространства-времени. В отличие от теории гравитации Ньютона, теория Эйнштейна претендует на теорию пространства-времени, т. е. на теорию Вселенной в целом.

Многих интересовал  вопрос, почему мы способны воспринять только пространство трех измерений. П. Эренфест в 1917г. исследовал этот вопрос специально и указал, что "закон обратных квадратов", по которому действуют друг на друга точечные гравитационные массы или электрические заряды, обусловлен трехмерностью пространства. В пространстве n измерений точечные частицы взаимодействовали бы по закону обратной степени (n - 1). Поэтому для n = 3 справедлив закон обратных квадратов, т. к. 3-1=2. Он показал, что при n = 4, что соответствует закону обратных кубов, планеты двигались бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах при числе измерений, большем трех, также не существовало бы устойчивых орбит, т. е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трехмерности пространства с законом тяготения указывал еще и Кант.

Кроме того, можно показать, что  распространение волн "в чистом виде" невозможно в пространстве с четным числом измерений. Появляются искажения, нарушающие переносимую волной структуру (информацию). Пример тому — распространение волны по резиновому покрытию (по поверхности размерности 2). В 1955г. математик Г. Дж. Уитроу заключил, что поскольку живым организмам необходимы передача и обработка информации, то высшие формы жизни не могут существовать в пространствах четной размерности. Этот вывод относится к известным нам формам жизни и законам природы и не исключает существования иных миров, иной природы.

В науке производятся количественные сравнения и потому важны измерения. Измерение — это определение неизвестной величины известной установленной единицей меры.

 
2. Представления о времени. История развития представлений о

времени

 

Говоря о "времени", люди употребляют это слово в самых различных смыслах. Время связано с обычной, повседневной жизнью, оно непосредственно доступно нашему сознанию, формируя наши ощущения, взгляды, язык. В житейском понимании время воспринимается как поток, переход из прошлого в будущее, переносящий наше "теперь" и "сейчас" в другой мир, оно наполнено действием в отличие от неподвижного и пустого пространства, "вместилища" событий.

Русская пословица гласит: "Время — око истории". Научная  теория времени не содержит такого "психологического" восприятия времени, отвлекается от него. Существуют даже представления, что течение времени лишь иллюзия человеческого восприятия. В. И. Даль в "Толковом словаре живого великорусского языка" так определяет это понятие: "Время — I) длительность бытия; пространство в бытии; последовательность существования; продолжение случаев, событий. К тому пример: "Время за нами, время перед нами, а при нас его нет"; 2) пора, година, срок — конкретное время, его отрезок; 3) погода, состояние воздуха; 4) счастье, земное благоденствие".

Понимание времени, увлекающего  мир в непрерывное движение, наиболее ярко выразил Гераклит (ок. 530—470 до н. э.): "В одну реку нельзя пойти дважды", "Все течет, все изменяется", "Мир является совокупностью событий, а не вещей". Законы природы неизменны, они сохраняются в любом месте и в любое время. У Прокла (ок. 410—485 до н. э.) геометрические рассуждения: "Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Оно ограничено и описывает окружность. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно". У Платона (ок. 428—347 до н. э.) течение времени, его причина и происхождение связывались с Вселенной. Он писал: "Поскольку день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной". В своем трактате "О спирали" Архимед показывал, что спираль соединяет цикличность с поступательным движением. Может быть, спираль подойдет для наглядного образа времени, соединив поток и окружность?! Узор из спирали с солнцами был найден на остатках кувшинов неолита и на древнем календаре — жезле из бивня мамонта, найденном недавно в Восточной Сибири. Археологи истолковывают эти узоры как отображение идеи Времени.

 

2. 1. Физическая теория времени

 

Первая физическая теория времени дана в "Началах" Ньютона, причем он ставит время первым среди  основных понятий физики, за ним  следуют пространство, место и  движение. Это было в XVII столетии, когда формировалась современная наука и когда происходило резкое разграничение точных и описательных дисциплин.

Определение Ньютона таково: "Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей  сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью". Абсолютное время — идеальная мера длительности всех механических процессов. Как мы не наблюдаем истинно равномерного движения из-за трения или других причин, так и измерять время можно только приближаясь к истинному, математическому, входящему в уравнения. Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов, и в частности, что точка отсчета времени, его начала не имеет значения. Длительность времени от этого не меняется. То же можно сказать и о пространственных симметриях классической механики. В пространстве нет ни выделенных точек, ни выделенных направлений, т. е. оно однородно и изотропно.

По выражению бельгийского физика и физико-химика Ильи Пригожина, лауреата Нобелевской премии 1977г. по химии, "для большинства основателей классической науки (и даже А. Эйнштейна) наука была попыткой выйти за рамки мира наблюдаемого, достичь вневременного мира высшей рациональности — мира Спинозы". Фактически все картины мира, рожденные точной наукой, освобождены от развития, "отрицают время". Ньютон не только исключил время из своей картины Вселенной, но и утвердил его в сознании как внешний параметр. Стало возможным рассматривать непрерывные периодические процессы равной длительности для построения модели, легко вводить метрику времени. Это позволило построить всю систему мира, подтвердить впечатляющие предсказания теории Ньютона для Вселенной. Г. Лейбниц считал время относительным, "порядком последовательностей". В других естественных науках, например в геологии, время рассматривалось совершенно иначе. Так, основоположник геологии датчанин Нильс Стенсен (1638—1686) строил пространственные отношения на основе не движения или перемещения тел в нем, а с точки зрения временной последовательности "раньше — позже". Этот подход естествен для геолога, рассматривающего историю планеты через наслоения в камне.