Введение

     Пространство и время в современной научной картине мира

     Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи  являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно и опосредовано, связаны с измерением длин и длительностей, т.е.  пространственно - временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубления знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

     Одними из важнейших форм бытия, кроме движения, системности и др., являются пространство, время. Рассмотрим их.

     Обсуждение вопроса о сущности пространства и времени в истории философии распадалось на три группы проблем:

1. Каков гносеологический статус этих понятий? Являются ли они характеристиками материального бытия или характеризуют устройство нашего сознания?

2. Каково отношение пространства и времени к субстанции?

3. Каковы основные свойства пространства и времени? (Эта проблема оказывалась связанной с развитием естественнонаучных представлений о пространственно-временных характеристиках вещей, ее решение в значительной степени обусловливалось решением первых двух групп проблем). 
 
 
 
 
 
 

     Развитие представлений о пространстве и времени

     В доньютоновский период пространство и время являются основными категориями в физике, ибо большинство физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых используются расстояния в пространстве и время. В тоже время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную историю, важное место занимают как учения Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции. Большое влияние на формирование понятий пространства и времени как научных категорий сыграла пифагорейская школа. «Вселенная втягивает из беспредельного время, дыхание и пустоту», --  говорит Пифагор. Причем пустота у пифагорейцев не имеет такого острого понятия как у атомистов, это - скорее, неоформленное, безграничное пространство. В этом беспредельном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь Космос. Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что геометрической интерпретации означает линию; линия, вытягиваясь в ширину, порождает число 3 - плоскость; плоскость, вытягиваясь в высоту, порождает число 4 - объем. Таким образом, уже пифагорейцы, описывая Космос, осознают (воспринимаемый нами с самого раннего детства как очевидный) факт трехмерности пространства, в котором мы живем.

       Платон, развивая учение пифагорейцев о математическом начале мира, впервые в античной науке вводит понятие геометрического пространства. До Платона в античной науке пространство не рассматривалось как самостоятельна категория, отдельно от его наполнения. Платон же помещает между идеями и чувственным миром геометрическое пространство, рассматривая его как нечто среднее, «промежуточное» между ними. Пространство воспринимается им как «интеллигибельная материя». Если математические числа - это чисто идеальные сущности, то всевозможные математические объекты - сущности промежуточные и получаются они путем соединения числа и материи. Сформировав впервые в истории науки философию объективного идеализма, признавая идеи - первичными сущностями (бытием), Платон тем не менее считал, что идея (единое) не может не существовать, не быть познанной без соотнесенности с другими, с материей, представляющей собой множество чувственно воспринимаемых вещей. Таким образом, Платон рассматривает 3 реальности:

бытие - сфера идеального;

возникновение - сфера чувственных вещей;

пространство - не идеальное и не чувственное.

      Соответственно математика выполняет роль посредника между  сферами чувственного и идеального бытия; геометрические же объекты являются результатом  сращивания идеи с интеллигибельной материей, то есть с пространством. Платон приводит классификацию математики, делит ее на 4 части: арифметику, геометрию, изучающую тела, имеющие три измерения и астрономию. Так что философия Платона так же использует представления о трехмерности пространства. Познать природные элементы, по Платону, это значит познать их геометрически, то есть определить их пространственное образование. Поэтому и атомы Платона, соответствующие 4 стихиям: огонь, воздух, вода и земля, различны, ибо представляют собой различные геометрические многоугольники: атомы Земли имеют форму куба, огня - форму тетраэдра (четырехугольника), воздуха - форму октаэдра (восьмиугольника), воды - Фому икосаэдра (двадцатигранник). Учение Платона может быть рассмотрено как попытка геометризации мира.

     Платоново-пифагорейская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в работах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и Евклида. В главном труде Евклида - «Началах» - излагаются основные свойства пространства и пространственных фигур.

       В современной науке широко используется понятие евклидового пространства как плоского пространства трех измерений. Систематическое изучение пространства и пространственных фигур греками было подчинено главной цели - исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы.

       Следует отметить, Что наряду с понятием пространства в Древней Греции были выработаны такие понятия как пустота и эфир. Эти понятия неразрывно связаны с представлениями о свойствах пространства, принятие или не принятие их как основополагающих в структуре науки, о чем свидетельствуют катаклизмы, происходящие в физике на протяжении всего ее развития, в особенности на рубеже XIX-XX вв.

       В эпоху возрождения достигается осознание взаимосвязи между механикой и геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к представлению о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении развития физики как стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходных понятий науки. Однако каковы особенности и характерные черты этого пространства? Заполнено оно эфиром или является пустым? Вопрос этот не был праздным, решение его играло роль глубинной предпосылки построения в дальнейшем его каркаса ньютоновской физики. Леонардо да Винчи и другие мыслители эпохи Возрождения вплотную подходили к формулированию принципа инерции, но не могли сделать последнего шага, так как не представляли себе движения в абсолютной пустоте, где движущееся тело не встречает никакого сопротивления. Шаг этот сделал Галилео Галилей. Не случайно, историки науки связывают его с именем Галилея возникновения физики как самостоятельной научной дисциплины, потому что именно Галилей применил научный метод исследования, в основе которого лежал научный эксперимент с характерной для него чертой - идеализацией ситуации, позволяющей устанавливать точные математические закономерности явлений природы. Признание им существования пустоты позволило ему объяснить равные скорости падания различных тел и сформулировать принцип инерции. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой» в «Дне втором» Галилей формулирует два основных типа механики - принцип инерции и принцип относительности.

       По существу, эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку получили в механике Ньютона. Жизнь и творчество Галилея подготовили как в методологическом, так и в научном плане почву для свершений Исаака Ньютона, положивших начало новой эре в науке в целом и не утративших своего непреходящего значения в наши дни. Однако для более полного представления том, какую роль в физике Ньютона играют понятия пространства и времени, необходимо рассмотреть точку зрения на эти понятия еще одного выдающегося мыслителя Нового времени Рене Декарта.

       Основная задача поставленная Декартом, -- математизация физики, точнее ее геометризация по типу евклидовой геометрии. Изучение физического мира возможно только с помощью математики. «Из всех, кто когда-либо занимался поиском истины в науках, только математикам удалось получить некие доказательства, то есть указать причины, очевидные и достоверные», говорит он  в «Рассуждении о методе». Следовательно, и физика должна опираться на небольшое число аксиом, из которых дедуктивно выводится упорядоченная последовательность выводов, обладающих той же степенью достоверности, что и первичные аксиомы. Объективный мир, по Декарту, не что иное как материализованное пространство или воплощенная геометрия. Из тождественности материи и пространства Декарт делает вывод бесконечной делимости материи и, следовательно, о не существовании неделимых атомов и пустоты. В мире не существует пустого пространства, ибо в этом случае существовала бы материальная протяженность. Протяженность материальна, следовательно, пространство заполнено субстанцией. Форма тел сводится к протяженности, масса сводится к геометрическому пространственному объему тела, индивидуальность которого проявляется только в движении. Разграничение собственного тела и пространства представляется следствием различных скоростей частей пространства. Итак, фундаментальными свойствами материи являются протяженность и движение в пространстве и во времени. И эти свойства могут быть строго описаны математически. «Дайте мне протяженность и движение, и я построю вселенную», - таков основной тезис Декарта. Отрицая пустоту, Декарт постулирует существование эфира. Позиция Декарта как геометра физики предпослала создание им новой области математики - аналитической геометрии. Он вводит координатную систему, известную как декартова система координат, а так же представление о переменной величине. Иными словами, в математику проникает движение, что само по себе подготавливает почву для возникновения дифференцированного и интегрального исчисления. 

     В истории науки

     Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, один из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач философ из г. Акраганта Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

     Некоторые философы, в том числе и 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. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве.

     Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании до XVI века. 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 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. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

     Космологическая теория Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и марах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности к расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...» Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

     Практическое обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» Кеплера и небесной механике Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представления о их эллиптических орбитах. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.

     Подлинная революция в механике связана с именем Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики - принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся ил движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются интегральными. Математические преобразования Галилея отражают движения в двух интегральных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

     Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Декарта, который создал первую универсальную физико-космическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическими воздействиями элементарных материальных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия.

     Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названую впоследствии ее именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отожествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отожествлял пространство с протяженностью.

     Декарт развил так же представление о соотношении длительности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же - соприсуще человеку и поэтому является модулем  мышления». «...Время, которое мы отличаем от длительности, - пишет Декарт в «Началах философии», - есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим...» Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.

     Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна квадрату расстояния между ними.

     Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом  случае может существовать множество космических объектов - центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

     В 1687 году вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии. Этот труд более чем на два столетия  определил развитие всей естественно научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.

     Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характерезует 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, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно иначе называется длительностью.

Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: 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.  

     В материалистической картине мира

     Понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности.

     Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событии, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.

     Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию 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 развито всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику

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

Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительное и, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то 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

Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего

     При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. Эта концепция «черного ящика», о которой уже говорилось выше. Этот взгляд близок к субстанциональному пониманию пространства и времени, хотя у Ньютона они и не являются настоящими субстанциями, как материя они обладают лишь одним признаком субстанции абсолютной самостоятельностью существования и независимостью от любых конкретных процессов ,но они не обладают другим важнейшим качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя - тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и время, и привел их в движение. Бог, являясь существом внепространственным и вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени. Бог существует в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою бесконечную мудрость и могущество, он создает мир из ничего, творит материю, а вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план развития и его существование прекратится, а вместе с миром исчезнут пространство и время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная вездесущность. Подобные взгляды выражались в общем виде еще Платоном, Аврелием Августином, Фомой Аквинским и ид последователями, Ньютон также разделял эти взгляды.

     В этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержатся глубокие противоречия. Ведь однократный акт сотворения мира и обреченность его на грядущую гибель не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости Бога. Этим божественным атрибутом более соответствовало бы бесконечное множество актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в пространстве и времени. В каждом из низ реализовывалась бы определенная идея, данная этому миру Богом, а все множество этих идеи создавало бы бесконечное пространство и время. Подобные идеи, высказанные в общем виде еще александрийский теологом Оригеном (Ш в. н.э.) и объявленные вскоре ересью, в новое время развивались в философии Лейбница, выдвинувшего идею о предустановленной гармони в каждом из потенциально возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени, которая противостояла  их пониманию как абсолютных и не зависящих ни от чего реальностей, подвластных только Богу.

     Есть концепции (Беркли, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно подле другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течение двух тысячелетий.

     Проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространств во, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному провидению. Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.

     Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физики, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

     Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А.Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

     ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.

     Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности классический принцип относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам. Инерциальными называются системы отсчета, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

     Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля Он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней ее стенки, а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме.

     Из принципа относительности следует, что между покоем и движением - если оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной разницы Разница только в точке зрения.                                            

     Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится?

     На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет» Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения н отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

     Таким образом, слово «относительность» в название принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.