Пространство и время

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.

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,

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 на ряду 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