Становление субстанциональной концепции пространства и времени
ТЕМА 8. ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ В НЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА
Становление субстанциональной концепции пространства и времени
Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в естественнонаучной картине мира. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.
Уже в античном мире мыслители задумывались над сущностью пространства и времени. Так, представители элейской школы отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Демокрит утверждал, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений.
В «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве.
Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным.
В гелиоцентрической системе мира Н. Коперник (1473-1543) отверг все ранее существовавшие представления о Земле как «единственном» центре вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила естествоиспытателей к признанию безграничности и бесконечности пространства.
Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. Представляя Вселенную как «целое бесконечное», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».
Практическое обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» И. Кеплера (1571-1630) и в небесной механике Г. Галилея. Кеплер установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах.
Принцип относительности Галилея утверждал: все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.
Р. Декарт (1596-1650) обосновал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Исходя из тезиса о единстве физики и геометрии, он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.
Последовательное математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени было получено в рамках классической механики.
Вершиной классической механики И. Ньютона стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.
Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения»[1].
Абсолютное, истинное, математическое времясамо по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
Абсолютное пространствопо своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.
С критикой ньютоновских представлений выступил немецкий ученыйГ.В.Лейбниц (1646-1716). Он развивал реляционную концепциюпространства и времени и указывал на относительный (реляционный) характер пространства и времени: «Считаю пространствотак же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком сосуществований,а время — порядком последовательностей»[2].Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться в «отвлечении» от самих вещей. Однако успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием.
Основные положения ньютоновской субстанциональной концепции пространства и времени (поскольку они выступали в качестве самостоятельных, независимых от материи субстанций) заключаются в следующем.
Пространствосчиталось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. 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.
Времяпонималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности.
Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея — Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Это системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.
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 теории электромагнитных процессов, созданной в XIX в. М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела.
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. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.
Специального объяснения 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, эти результаты не поддавались объяснению. Нидерландский физик X. Лоренц (1853-1928) вывел математические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависимости от скорости движения.
Таким образом, относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий.