Свойства пространства и времени и законы сохранения

Оглавление

Введение………………………………………………………………2

Свойства пространства и времени………………………………..2

Стрела времени………………………………………………………4

Биологическое пространство и время……………………………5

Психологическое пространство и время………………….……..7

Социальное пространство и время………………………………10

Законы сохранения…………………………………………………12

Заключение…………………………………………………………..16

Список использованной литературы…………………………….17

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.

Свойства пространства и времени

Какие же 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 всё более и более углубляет свои знания о ней. Однако в истории науки и философии существовал и другой взгляд на пространство и время -  только как на субъективные всеобщие формы 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 Г. Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развёртывается в пространстве.

Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трёх независимых величин – координат. В прямоугольной декартовой системе координат это X, Y, Z, называемые длиной, шириной и высотой , в сферической системе координат – радиус-вектор r и углы α и β, в цилиндрической системе – высота z, радиус-вектор r и угол α.

В науке используется понятие  многомерного пространства (n-мерного). Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному пространству оно не имеет никакого 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 реальности 11 измерений в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10- пространственных и одно – временное. Затем из них возникает четырёхмерный континуум  (лат. Continuum – 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 течёт 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 немецкий логик и философ Г. Рейхенбах  (1891-1953), который пишет: «Не только временной порядок, но и объединённый пространственно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры Вселенной».

Стрела времени

Для характеристики однонаправленности и необратимости времени английский астрофизик А. Эддингтон (1882-1944) в 1928 г. ввёл понятие стрелы времени. Оно применимо к описанию таких природных процессов, которые протекают спонтанно, самопроизвольно и только в одном направлении. К ним относится большинство реальных физических процессов (теплопередача, теплообмен, диффузия, вязкость, распад элементарных частиц, процессы трения), а также процессы космической, химической, биологической и психологической эволюции.

При описании этих процессов  в современной научной картине мира принято различать три стрелы времени: 1) термодинамическую, 2) психологическую, 3)космологическую.

Термодинамическая стрела времени характеризует то направление времени, в котором энтропия¹ возрастает. Максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.

Психологическая стрела времени связана с особенностями восприятия длительности протекающих в мире процессов органами чувств человека. Она позволяет установить различие между прошлым, настоящим и будущим и характеризует направленность времени от прошлого к будущему. При этом нельзя отождествлять процедуру измерения времени с самим временем.

Космологическая стрела времени определяет направление эволюции нестационарной, неравновесной Вселенной. Согласно современной космологической модели Фридмана – Хаббла, вселенная расширяется, а не сжимается.  По предположению американского физика Р.Дикке, вселенная расширяется не в пустоту, а в среду, уже заполненную элементарными частицами. Они вступают во взаимодействие с нашей Вселенной и в процессе расширения Вселенной оказываются в ней. Так происходит, по мнению Дикке, пополнение нашей Вселенной «новой материей».

Термодинамическая, психологическая  и космологическая стрелы времени  совпадают по направлению, что и  создаёт возможность для существования  и развития разумных индивидов.

Биологическое пространство и время

В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и  времени. Это 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 существенно отличаться.

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. Одним из первых проблему биологического пространства и времени начал анализировать В.И.Вернадский (1863-1945). Специфику биологического пространства он связывал с важнейшим отличительным признаком живого – наличием асимметричности пространственной структуры органических молекул.²

Впервые свойство асимметрии органических молекул было обнаружено французским учёным, основателем  научной микробиологии Луи Пастером (1822-1895). Развивая идеи Пастера, В.И. Вернадский представил молекулярную асимметрию как  особое свойство пространства, связанное  с жизнью.

Неотъемлемым признаком  живого, по мнению Вернадского , является особая симметрия пространства, занятого живым веществом, а именно, резкое проявление левизны в материальном субстрате живого вещества. Под живым веществом Вернадский подразумевал всю совокупность растительных и животных организмов, в том числе и человека.

Из особенностей биологического пространства Вернадский выводил и  особенности протекания, в том  числе прерывности и непрерывности, биологического времени. Это время  должно отвечать пространству специфического строения живого вещества и не противоречить  ему. Оно является определённым параметром состояния живого вещества и не противоречить ему. Оно является определённым параметром состояния живого вещества. Вернадский объединяет его в единое биологическое пространство-время и связывает с ним процессы смены поколений, старения многоклеточных организмов, а также смерть как разрушение пространства-времени тел организмов.

Действительно, как установила современная биохимия, всё живое, в отличие от неживого, обладает фундаментальным свойством: белки содержат только «левые» аминокислоты, а нуклеиновые кислоты – только «правые» сахара. Главный биологический смысл этой асимметрии живого – в обеспечении молекулярно-пространственной комплектарности (соответствия) при взаимодействии молекул.

Эта особенность пространственной асимметрии живого известна в современной  науке под названием хиральности (от греч. heir – рука).

Возникновение хиральной частоты живого, как подтверждают современные научные исследования, произошло на определённом этапе эволюции природы. На этом этапе под действием пока неизвестной науке причин наступило полное разрушение зеркальной симметрии предбиологической среды. И только затем началось образование в хирально чистой среде коротких нуклеотидных цепочек – простейших нитей будущих ДНК и РНК.

Таким образом, возникновению  биологических объектов и связанного с ними биологического пространства-времени  предшествовали определённые этапы  эволюции пространственно-временных  свойств неорганических объектов.

Психологическое пространство и время

Наиболее явно отличия пространственно-временных свойств проступают на следующем этапе эволюции, когда под действием поисковой и трудовой деятельности, перестройки физиологических механизмов деятельности мозга происходит становление человеческой психики. Одновременно идёт формирование нового феномена – психологического пространства и времени. Психологическая регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства.

Наиболее интересным в  связи с этим является разработка советским психофизиологом Н.А. Бернштейном (1896-1966) теории моторного поля.

Моторное поле психики  индивида создается посредством  поисковых движений, зондирующих  внешнее пространство во всех направлениях.

На основе этих движений в психике индивида и его психомоторике  формируется полимодальный (обобщённый) образ пространства. Этот образ включает совокупность особых метрических и топологических свойств: криволинейность, отсутствие жесткой привязки координат к координатам внешнего физического пространства, относительное безразличие к положению, преобладание топологии над метрикой, отсутствие право-левосторонней симметрии.

При этом поиск и опробование  будущих предметных действий индивид  осуществляет посредством идеальных  образов, которые строятся на основе речевого общения с помощью таких  психологических процессов, как  ощущение, восприятие, память, мышление.

Благодаря идеальным образам  индивид обретает способность выходить за рамки данного мгновения, перемещаться в прошлое и будущее, во времени и пространстве как на осознаваемом уровне («в уме»), так в особенности и на бессознательном – в сновидениях и галлюцинациях. Предметные действия над объектами могут заменяться идеальными психологическими образами и операциями над значениями этих объектов.

В наибольшей степени особенности  психологического пространства и времени  проявляются в сновидениях – на бессознательном уровне. Результаты многочисленных исследований показали, что одной из функций сновидения является эмоциональная стабилизация функции индивида. Индивид, лишённый способности видеть сновидения, может впасть в безумие. В его психологическом пространстве произойдёт кумулятивное накопление обрывочных мыслей, образов, впечатлений, способных подавлять осознаваемые мысли и память. Впервые систематическое исследование сновидений как основной содержательной структуры психологического пространства предпринял основоположник психоанализа З.Фрейд (1856-1939). Он считал, что сновидения являются «устранением нарушающих сон (психических) раздражений путём галлюцинаторного удовлетворения».

Фрейд выявил неоднородность психологического пространства сновидений, его асимметрию, символизм, смещение. Одна из особенностей психологического времени, на которую указывает Фрейд, - пропуск, модификация, перегруппировка материала сновидения, создающие эффект обратимости времени. Бессознательное не знает жизни и смерти, оно живёт всевременно., одновременно прошлым, настоящим и будущим. В процессе экспериментального изучения сновидений современной психофизиологией было обнаружено существование стадий быстрого сна и его связи со сновидениями. Оказалось, что каждый человек видит сны несколько раз за ночь, а субъективная длительность сновидений соответствует объективной длительности быстрого сна. Индивид, разбуженный в начале фазы быстрого сна, отчитывается о коротком сновидении, а разбуженный в конце – о длинном.

Психологическое пространство сновидений, степень его эмоциональной  окрашенности связаны также с  частотой сердечных сокращений и  дыхания, электрической активности кожи в последние минуты быстрого сна.

Особенности психологического пространства и времени проявляются  и на уровне коллективного бессознательного, разработку которого осуществил швейцарский  психолог К.Г. Юнг (1875-1961). Он показал длительность формирования непроизвольных и спонтанны продуктов бессознательной психики в процессе психической эволюции, его коллективную, универсальную и безличную природу, идентичную у всех индивидов.

В наибольшей степени специфика  психологического пространства проявляется  в феномене синхронизма психических  процессов. Юнг характеризует этот феномен как явление, в котором  событие во внешнем мире совпадает  значащим образом с психологическим  состоянием того или иного человека. При этом повторяющиеся психические  переживания не подчиняются законам  времени, пространства и причинности. Существует также синхронизм психических  процессов, состоящий в одновременном  параллельном проявлении идентичных, психических переживаний у двух или нескольких личностей.

Социальное пространство и время

Становление человеческого  индивида и личности с необходимостью включает не только биологический и психологический циклы, но и социальный. Он проходит в рамках социогенеза – становления человеческого общества, развития форм социальной организации и духовной жизни. Одновременно идёт процесс формирования нового феномена – социального пространства и времени. Анализируя этот феномен, немецкий философ К.Ясперс (1883-1969) выделяет понятия «осевая эпоха» и «осевое время».

Осевая эпоха как особое социальное пространство включает образование нескольких духовных центров человечества, внутренне родственных друг другу. Одновременно происходит сближение этих духовных центров и формирование человека такого психологического типа, который существует в настоящее время. Вместе с тем формируются образы и идеи, с помощью которых идёт рационализация социального бытия, рождаются религиозная и философская вера. Все это происходит в так называемое осевое время, которое представляет собой временные рамки осевой эпохи – период развития человечества между 800 и 200 гг. до новой эры.

Социальное пространство рассматривал и П.Сорокин (1889-1968) в связи с разработкой проблемы социальной стратификации и социальной мобильности. Сорокин представлял социальное пространство как неоднородное и многомерное, в котором каждый индивид занимает определённое социальное положение, устанавливаемое в процессе взаимодействия с другими индивидами и группами индивидов.

Наиболее интенсивно проблема социального пространства и социального  времени стала разрабатываться  в науке с начала 1970-х гг. анализ данной проблемы включает рассмотрение взаимодействия пространства и времени  как форм социального бытия индивидов, соотношения пространственно-временных  связей внутри общества, исследование форм и отношений, присущих социальной деятельности людей.

Социальное пространство включает пространственную организацию социальных объектов общества, которые дифференцированы, разделены и определённым образом ориентированы. Его можно характеризовать и как форму бытия социальной материи, в которой социальная энергия превращается в конкретные формы жизнедеятельности личностей и общества в целом. И в этом плане оно обладает определённой субстанциальной реальностью. Его специфическими свойствами являются протяженность, упорядоченность, масштаб, интенсивность, насыщенность, плотность, определённая координация социальных процессов и явлений.

Существует и другой аспект рассмотрения социального пространства – в качестве игровой, виртуальной реальности, или искусственного символического пространства как совокупности значимостей.

Социальное время – это определённый по длительности период, которым располагает любой социальный объект и общество в целом; это совокупное время существования и деятельности всех индивидов общества. Вместе с тем социальное время неотделимо от социального пространства, в рамках которого жизнедеятельность индивидов существует в форме различных институтов, общностей, групп и территориальных структур.

Социальное время фиксирует и особенности параметров времени в ретрансляции социального опыта, и одновременность в протекании социальных событий.

Законы сохранения

Весьма важным для понимания  законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно  связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических условий. 
В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров.

Наглядным примером пространственных симметрии физических систем является кристаллическая структура твердых  тел. Симметрия кристаллов – закономерность атомного строения, внешней формы  и физических свойств кристаллов. Она заключается в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения. Орнамент – наверное, самое древнее отображение идеи симметрии, лежащей в основе многих фундаментальных законов. 
Многие процессы в природе имеют симметричный характер. С помощью математической модели можно продемонстрировать, например, довольно сложный характер взаимодействия электрона с ионами кристаллической решетки, что видно из рис. 1, где прослеживается зарождение упорядоченной симметричной системы из хаотических фрагментов. 

Рис. 1. Рождение порядка из хаоса

Из сформулированного  принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени  следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью  пространства и времени. 
Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Из свойства симметрии  пространства – его однородности следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы. 
Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать. 
Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной (например сила трения). 
Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется. 
В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе диссипативные. В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

Закон сохранения и превращения энергии – фундаментальный  закон природы; он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем. В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, например силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии – сущность не уничтожения материи и ее движения, поскольку энергия, по определению, – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. 
Закон сохранения энергии – результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадлежит М.В. Ломоносову (1711–1765), изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными – врачом Ю. Майером (1814–1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821–1894).

Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства –  его изотропности. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол). Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. 
Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882–1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, и из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

Выявление различных симметрий  в природе, а иногда и постулирование их стало одним из методов теоретического исследования свойств микро-, макро- и  мегамира. В связи с этим возросла роль весьма сложного и абстрактного математического аппарата – теории групп – наиболее адекватного и точного языка для описания симметрии. Теория групп – одно из основных направлений современной математики. Значительный вклад в ее развитие внес французский математик Эварист Галуа (1811–1832), жизнь которого рано оборвалась: в возрасте 21 года он был убит на дуэли. С помощью теории групп русский минералог и кристаллограф Е.С. Федоров (1853–1919) решил задачу классификации правильных пространственных систем точек – одну из основных задач кристаллографии. Это исторически первый случай применения теории групп непосредственно в естествознании.

Заключение

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 интегральная система.

Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно синхронно» и выступает как независимая от материалистических объектов процесс длительности. Фактически классическая механика объектов сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени «показать продолжительность события». Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.

Список использованной литературы:

Аксенов Г.П. Причина времени. – М.: Эдиториал УРСС, 2000.

Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов – М.: Академический Проект, 2000.

Концепции современного естествознания: Учебник для студентов вузов / под ред. В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова – 4-е изд.  – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009

Интернет http://ru.wikipedia.org

¹Энтропи́я (от др.-греч. ἐντροπία - поворот, превращение) — в естественных науках мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.

² Асимметри́я (от др.-греч. ασυμμετρία «несоразмерность», от др.-греч. μετρέω — «измеряю») —отсутствие у органических объектов свойства быть зеркально симметричными; у неорганических объектов строение их молекул симметрично.