2.4. Пространство и время как основные формы существования материи. Развитие представлений о пространстве и времени.

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями современного естествознания. В науке исторически сложились две концепции в понимании пространства и времени.

Субстанциальная концепция, идеи которой содержатся во взглядах Демокрита, была доработана И. Ньютона. Согласно этой концепции, пространство – это бесконечное вместилище, чистая протяженность, а время – непрерывная, чистая длительность. Пространство и время есть объективные формы, существующие наряду с материей. По Ньютону, мир состоит из материи, пространства и времени. Пространство может быть заполнено материей, но может существовать без нее. Время «течет» как бы само по себе, вне связи с материальными процессами. Ньютон признавал абсолютное пространство и абсолютное время.

Реляционная (релятивистская) концепция, основы которой заложил Аристотель, была сформулирована Г. Лейбницем, который рассматривал пространство и время не как особые субстанциальные сущности, а как формы существования материальных объектов. Пространство, по мнению Лейбница, характеризует порядок расположения тел, а время – последовательность изменения их состояния.

Пространство – это философская категория, которая характеризует протяженность и взаимное расположение материальных объектов, существование и взаимодействие составляющих их элементов.

Время – это философская категория, которая выражает длительность существования любых объектов, последовательность смены их качественного состояния.

Разным историческим эпохам с присущими им культурами соответствовали свои пространственно-временные представления.

Этапы развития концепции пространства и времени (представлены в таблице).

В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер.

Выдающийся английский ученый Исаак Ньютон (1643–1727), раскрывая в своей книге «Математические начала натуральной философии» сущность пространства и времени, предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время. По Ньютону, пространство и время абсолютны.

Абсолютное пространство существует независимо от времени и независимо от наполняющей его материи. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. В пространстве нет ни выделенных точек, ни выделенных направлений, т.е. оно однородно и изотропно.

Относительное пространство – ограниченная подвижная часть, которая в обыденной жизни принимается человеком за пространство неподвижное.

Абсолютное время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное время однородно. В частности, точка начала отсчета времени не имеет значения; длительность процессов от этого не меняется.

Относительное время употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это – минута, час, день, месяц, год.

Положение материальной точки в пространстве определяется заданием трех координат, например, широты, долготы и высоты. Это означает, что пространство трехмерно. Древнегреческий ученый Евклид (около 330-275 до н. э.) в работе «Начала» построил геометрию трехмерного пространства, известную в научном мире как евклидова геометрия.

Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия – мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстояние через пустое пространство без помощи материи. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов и послужили обоснованием абсолютности пространства, существующего независимо от времени.

Ньютоновская теория дальнодействия и его схема господствовали до начала ХХ века. Впервые ее ограниченность обнаружили английские физики М. Фарадей (1791-1867) и Дж. Максвелл еще в XIX веке, показав неприменимость ее к электромагнитным явлениям. Ими было установлено, что распространение взаимодействия происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Из электромагнитной теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявления единого электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX века появляется новое понятие – «поле», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона». Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами имело большое значение для описания физических свойств пространства и времени. В дальнейшем работы Х.А. Лоренца (1853-1928), А. Пуанкаре (1854-1912) и А. Эйнштейна, поступившие в печать почти одновременно в середине 1905 г., заложили основы специальной теории относительности, в которой показано, что пространство и время взаимозависимы.

Развивая идею о тесной связи трех пространственных и одной временной координат, Пуанкаре ввел пространство четырех измерений, а немецкий математик и физик Г. Минковский (1864-1909) построил геометрию четырехмерного пространства. По его мнению. Все события во Вселенной происходят в четырехмерном пространственно-временном континууме. Пространство и время тесным образом связаны между собой и их нужно рассматривать как взаимосвязанные элементы.

Следующий важный шаг в понимании свойств пространственно-временного континуума был сделан в 1915 г. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО), в которой было показано, что между пространством-временем и материей существует связь. Материальные объекты создают поле тяготения, которое приводит к искривлению четырехмерного пространства-времени (слайд).