Концепции пространства и времени

ПЛАН  РАБОТЫ:

      Введение – 3

1.     Понятия «пространство», «время» - 3
1. Развитие взглядов на пространство и время – 3

1.2.   Понятия абсолютного и относительного  пространство и времени                   И. Ньютона – 5

1.3. Реляционная концепция Г. В. Лейбница - 6

2.      Современные воззрения  на пространство  и время - 6

2.1.   Свойства пространства и времени - 8

2.2.   Пространство и время в различных отраслях естествознания - 8

2.3.   Специальная и общая теория относительности - 9

2.4.   Кривизна - 12

2.5.   Многомерность пространства – 14

2.6.    Четырёхмерное пространство. Мир Минковского - 14

2.7.    Системность пространства-времени. - 16

2.8.    Симметрия В.И. Вернадского – 17

         Заключение - 17

         Список использованной литературы - 19 
 
 

Введение

Важнейшей задачей  естествознания является создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает вопрос о происхождении  и изменении различных материальных продуктов и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно  связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик  объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировалось представление  о пространстве и времени. 

1. Понятие «пространство» «время» 

• пространство есть всеобщая объективная форма существования материи, являющаяся необходимым условием возникновения и движения конкретных материальных систем.
• Время есть всеобщая объективная форма существования движущейся материи, являющаяся необходимым условием возникновения и изменения конкретных материальных систем и выражающая структурность, темп и длительность материальных процессов и объективную последовательность событий.

1. Развитие  взглядов на пространство и время

Уже в античном мире мыслители задумывались над  природой и сущностью пространства и времени. Одни из философов отрицали возможность существования пустого  пространства или, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый греческий врач и философ Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений. В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании до XVI в. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли. Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис. Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности». 
 
 
 
 

2. Понятия абсолютного и  относительного пространство и времени  И. Ньютона

В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического  использования объектов, их объемов  и протяженности. Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной смены состояний предметов и круговорота различных процессов. Концепция абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона “Математические начала натуральной философии”. Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.

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». Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени:

абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую

типологическую  характеристику:

• Абсолютное - время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

• Относительное - время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени: час, день, месяц, год.

• Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно  к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

• Относительное  пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Ньютоновское  понимание пространства и времени  вызвало неоднозначную реакцию  со стороны его современников - естествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г. В. Лейбниц.  

3. Реляционная концепция Г. В. Лейбница

Г.В. Лейбниц  развивал реляционную концепцию  пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени  как абсолютных сущностей. Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц  считал, что пространство и время  есть нечто относительное (пространство - порядок сосуществования, а время - порядок последовательностей) и  не могут рассматриваться в отрыве от самих «вещей». Однако идеи Лейбница о пространстве и времени не получили распространение среди его современников. 

2. Современные воззрения на пространство и время.

   Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение, структурность и протяженность отдельных элементов материи относительно друг друга и за закономерную координацию сменяющихся друг друга явлений. Характеристиками пространства считались однородность-одинаковость свойств во всем пространстве и изотропность-независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс в принципе повторим через некоторый промежуток времени. С этим свойством связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.

Понятие "пространство" выражает:

• взаимное расположение материальных систем (объектов) впереди, позади, вне, внутри, около, далеко, близко и т. д.;
• способность их занимать определенный объем, иметь протяженность — длину, ширину и высоту;
• свойство материальных объектов иметь определенную форму, структуру.

Понятие "время" выражает также всеобщее свойство таких материальных систем и процессов, как:

• длительность существования предметов, систем и развития их отдельных фаз, сторон, ступеней и т. д.;
• порядок следования и смена состояний, известная последовательность процессов (до, после, одновременно и т. п.).

Пространство  и время — это не самостоятельные  сущности, а коренные формы бытия, существования движущихся материальных систем. Пространство и время представляют собой формы, в которых проявляется  активность материи. Им присущи такие  всеобщие свойства, как объективность, безграничность и бесконечность, единство абсолютности и относительности, прерывности  и непрерывности. Так, например, они  абсолютны в том смысле, что  составляют всеобщие условия всякого  бытия, они относительны, потому что  в своих конкретных свойствах  зависят от состояния движущейся материи. 
 

1. Свойства  пространства и времени.

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. 

2. Пространство  и время в различных  отраслях естествознания

   В современной  науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени. Эти понятия введены в связи с особенностями проявления пространственно-временных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут быть существенно отличны.

• Так, биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть. Одновременно идет формирование нового феномена - психологического пространства и времени.
• Психологическое пространство и время характеризуют основные структуры пространства и времени, связанные с восприятием и так называемыми перцептивными (вкусовыми, визуальными и т.д.) полями. Исследователями выявлены неоднородность перцептивного пространства, его асимметрия, эффект обратимости времени в бессознательных и транспсихических процессах, а также синхронизм психических процессов, состоящий в одновременном параллельном проявлении идентичных психических переживаний у двух или нескольких человек.

Кроме рассмотренных  типов пространства и времени обсуждаются проблемы геологического, географического, социального и других типов пространств и времен, выделяются их специфические черты и характерные особенности. При этом обычно анализируются неоднородность пространственно-временных структур, специфические пространственные отношения между элементами, ритмы и темпы изменения, ускорение или замедление темпов развития рассматриваемых в конкретной отрасли естествознания.  

3. Специальная и общая теория относительности

   Общая и специальная теория относительности новая теория пространства и времени привела к тому, что все системы отсчета стали равноправными, поэтому все наши представления имеют смысл только в определенной системе отсчета. Картина мира приобрела релятивный, относительный характер, видоизменились ключевые представления о пространстве, времени, причинности, непрерывности, отвергнуто однозначное противопоставление субъекта и объекта, восприятие оказалось зависимым от системы отсчета, в которую входят и субъект и объект, способа наблюдения и т.д. 

Специальная теория относительности.

   Специальная теория относительности, созданная  в 1905 г А. Эйнштейном, стала результатом  обобщения исинтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики  Максвелла - Лоренца. «Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике,

которая, таким  образом, оказывается ее частным  случаем».

Если бы были найдены абсолютные пространство и  время, и следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы

равноправны

В классической механике Ньютона свойства пространства и времени не зависели от скорости движения тел и от наличия вблизи других тел, однако с появлением специальной теории относительности эти представления изменились.

1. Выражает порядок  смены физических состояний и  явления объективной характеристикой  любого физического процесса  или явления.

Согласно специальной  теории относительности:

• течение времени зависит от скорости движения скоростного отчёта и при скоростях близких к скорости света, возникает релятивистское течение времени.
• нарушается понятие одновременности событий.
• события одновременные для одного наблюдателя оказываются разновременными для другого движущегося относительно него со скоростью близкой скорости света.
• интервал времени в разных системах отсчёта движущегося относительно друг друга различен.

2. Пространства - выражает порядок существования  физических тел согласно «СТО»  объединило пространство и время  в единую четырёхмерную структуру  пространство-время.

Основу СТО  составляют два постулата (принципа):

1. Принцип относительности  Эйнштейна. Этот принцип явился  обобщением принципа относительности  Галилея на любые физические  явления. Он гласит: все физические  процессы при одних и тех  же условиях в инерциальной системы отсчета (ИСО) протекают одинаково. Это означает, что никакими физическими опытами, проведенными внутри замкнутой ИСО, нельзя установить, покоится ли она или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, все ИСО совершенно равноправны, а физические законы инвариантны по отношению к выбору ИСО (т.е. уравнения, выражающие эти законы, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета).

2. Принцип постоянства  скорости света. Скорость света  в вакууме постоянна и не  зависит от движения источника  и приемника света. Она одинакова  во всех направлениях и во  всех инерциальных системах отсчета.  Скорость света в вакууме –  предельная скорость в природе.  Это одна из важнейших физических  постоянных, так называемых мировых  констант. 

Основные идеи общей теории относительности.

В 1916 г. Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности (ОТО), над которой работал в  течение 10 лет. ОТО обобщила СТО на ускоренные, т.е. неинерциальные системы. Основные принципы ОТО сводятся к  следующему:

• ограничение применимости принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь; (там, где гравитация велика, скорость света замедляется);
• распространение принципа относительности на все движущиеся системы (а не только на инерциальные).

Из ОТО был  получен ряд важных выводов:

• Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
• Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
• Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.

Стало ясно, что  абсолютно полную и достоверную  научную картину мира не

удастся создать  никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью. Таким  образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах. Три глобальных революции предопределили три длительных периода развития науки, они являются ключевыми этапами в развитии естествознания. Это не означает, что  лежащие между ними периоды эволюционного  развития науки были периодами застоя. 

4. Кривизна

   В специальной теории относительности  свойства пространства и времени  рассматриваются без учета гравитационных полей. Они не являются инерциальными. По общей теории относительности  массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Масса изменяет структуру самого пространства — оно как бы искривляет его, делая кратчайшим расстоянием  уже не прямую, а кривую линию. Кривизна пространства — времени меняется в зависимости от распределения тяжелых масс, от величины их гравитационных полей.

В течение  продолжительного времени казалось совершенно естественным и логичным описывать свойства пространства с  помощью геометрии, важнейшие элементы которой сформулировал еще в  начале III в до н. э. древнегреческий математик Евклид. Однако плоская геометрия Евклида оказалась частным случаем сферической геометрии, когда кривизна пространства равна нулю. Возможны случаи пространств с положительной и отрицательной кривизной. Геометрия пространства с положительной кривизной характерна сферической поверхности, на которой кратчайшим расстоянием между двумя точками являются дуги больших кругов, передвигаясь по которым мы вернемся к исходной точке. Такой тип геометрии разработан в 1854 г. немецким математиком Бернгардом Риманом. Геометрия пространства с отрицательной кривизной имеет сферические линии с бесконечной протяженностью. Эта геометрия разработана в 1826 г. Н. Лобачевским. Одно из следствий общей теории относительности состоит в том, что свет, обладая инертной массой, теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения испускающего его тела и что потеря светом энергии означает увеличение длины его волны. Этот эффект называется гравитационным красным смещением. Гравитационное красное смещение является прямым следствием замедления течения времени в гравитационных полях. Такое смещение наблюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд, например Сириуса. Относительно системы отсчета, имеющей ускоренное движение, световой луч не будет двигаться прямолинейно, ибо в этом случае он будет находиться в поле тяготения. Следовательно, в поле тяготения световые лучи распространяются криволинейно. Этот результат имеет важнейшее значение для проверки и обоснования общей теории относительности. Для полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить экспериментально, но если такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, то его отклонение можно измерить. Впервые такие измерения были сделаны во время полного солнечного затмения в 1919 г., и они полностью подтвердили предсказания общей теории относительности. 

5. Многомерность пространства

Прежде всего  пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. 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 а и р.     В цилиндрической системе - высота z, радиус-вектор и угол а.

В науке используется понятие многомерного пространства (n-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 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.  

6. Четырёхмерное пространство 

1907-1908 гг. немецким  ученым Минковским было введено  4-мерное псевдоевклидово пространство, получившее впоследствии название  пространства или мира Минковского.  Псевдоевклидовым оно оказалось  потому, что его метрика отличалась  от традиционной евклидовой.                                

Например, по Евклиду, расстояние между двумя точками  равно 0, только когда точки совпадают (равны их соответствующие координаты). В пространстве Минковского нулевой  пространственно-временной интервал может быть и для несовпадающих  событий. Мировой линией в пространстве-времени называется линия точек 4х-пространства или событий, принадлежащих одному и тому же объекту. Если объект покоится, его мировая линия будет вертикальна. Для прямолинейно равномерно движущегося объекта его мировая линия будет прямой. Именно здесь мы сталкиваемся с нетривиальной метрикой пространства Минковского. Математически доказано, что пространственно-временной интервал инвариантен (сохраняет свое значение) при рассмотрении его в различных ИСО. Это указывает на абсолютный характер мира Минковского. Точно так же, как абсолютно расстояние между двумя точками в 3х-пространстве без времени, так же абсолютен 4х-интервал в пространстве-времени. Пространство и время относительны, если их рассматривать по отдельности, но в единой системе они дают абсолютное 4х-пространство. Четырехмерные интервалы разделяют на три класса: времениподобные, пространственноподобные, и изотропные.

• Времениподобными интервалами разделяются события, происходящие с одним и тем же объектом, и события, связанные причинно-следственной связью. Такие события всегда строго идут друг за другом по времени.
• Пространственноподобный интервал никогда не сможет разделять события, произошедшие с одним и тем же объектом, а так же события, связанные причинно-следственной цепочкой. Эти события не имеют строгий порядок возникновения. Такие как вспышка на Солнце и вспышка на Луне.
• Для третьего типа интервалов относятся такие события, как например,  распространение света или другого взаимодействия (гравитационного, электромагнитного). То есть 4х-интервал между событием возникновения взаимодействия (испускания) и событием принятия его какой-либо точкой пространства равен нулю.

Разделение интервалов на изотропные, пространственно- и времениподобные является абсолютным, т.е. одинаковым для всех ИСО. Вполне возможно, что могут быть разработаны иные модели пространства-времени. Но почти уже столетняя история мира Минковского и относительная простота его структуры говорят сами за себя. 

7. Системность пространства-времени.

Системный анализ — научный метод познания, представляющий собой последовательность действий по установлению структурных связей между переменными или элементами исследуемой системы. Опирается  на комплекс общенаучных, экспериментальных, естественнонаучных, статистических, математических методов. Этот принцип  в основе современных представлений  о мире. Мир – как  особая целостность, состоящая из элементов и связей между этими элементами.

Система–«целое»–объединение некоторого разнообразия в единое и  четко расчлененное целое, элементы которого по отношению к целому и  другим частям занимают соответствующие  им места.

Структура- «строение, связь, порядок»- совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его  целостность. Структура–скелет объекта, обеспечивающий его устойчивость.

Структурность – системная организованность внутренне расчлененного материального мира.

Время–форма бытия  материи, которая выражает длительность существования материальных объектов и последовательность изменений (смены состояний) данных объектов в процессе их развития.

Пространство- форма  бытия материи, которая характеризует  ее протяженность, структуру, взаимодействие элементов внутри материальных объектов между собой.

Время и пространство тесно переплетены между собой. То, что совершается в пространстве, одновременно совершается и во времени, а то, что происходит во времени, находится в пространстве. 

8. Симметрия В.И. Вернадского

Симметрия - одно из свойств, пространства и времени. Это свойство заключается в переходе объектов в самих себя или друг в друга при осуществлении определенных преобразований. В наиболее широком смысле симметрия - свойство неизменности (инвариантности) отдельных сторон, процессов и отношений объектов относительно некоторых преобразований. Симметричными могут быть вещи, процессы, геометрические фигуры, математические уравнения, живые организмы, произведения искусства и т.д. Преобразования симметрии могут быть и реальными, и мысленными (пространственный сдвиг, вращение, зеркальное отражение в пространстве, зарядовое сопряжение, замена частицы на античастицу). В.И. Вернадский видел в симметрии ключ к разделению живой и неживой природы, указывая на то, что правизна и левизна в мире кристаллов не играют принципиальной роли, а для живых организмов наблюдается иная картина.