Некоторые методологические проблемы естествознания

Пространство и время обладают своими особенностями: пространство имеет три измерения: длину, ширину и высоту, а время лишь одно — направление от прошлого через настоящее к будущему, оно неотвратимо, неповторимо и необратимо.

В истории философии существуют различные концепции пространства и времени. Их можно разбить на два больших класса: субстанциальные и реляционные.

Субстанциальная концепция (Демокрит[194], Ньютон) рассматривает пространство и время как особые сущности, которые существуют сами по себе, независимо от материальных объектов. Они служат вместилищами, в которых находятся объекты и разворачиваются процессы. При этом пространство и время могут существовать независимо от объектов и процессов.

Реляционная[195] концепция (Аристотель[196], Лейбниц[197], Эйнштейн) заключается в том, что пространство и время – это особые отношения между объектами и процессами и вне их не существуют.

Достижения современной науки свидетельствуют о предпочтении реляционного подхода к пониманию пространства и времени. Например, теория относительности, в которой раскрывается неразрывная связь пространства и времени как единой формы существования материи (пространство – время), единство пространственно-временно́й и причинно-следственной структуры мира, относительность пространственно-временны́х характеристик объектов.

К всеобщим свойствам пространства и времени относятся: объективность, зависимость от движущихся систем, прерывность и непрерывность, бесконечность (времени) и безграничность (пространства).

Свойства пространства: протяженность, трехмерность, симметрия и асимметрия, внешняя форма и размер, местоположение, распределение вещества и поля, граница, отделяющая их от других систем.

Свойства времени: длительность, неразрывная связь с движением систем, а также с пространством.

Из всего многообразия форм объективной реальности эмпирически доступной всегда остаётся лишь конечная область материального мира, которая ныне простирается в масштабах от 10^-18 до 10²⁶ м, а во времени – до 2 10⁹ лет, временной интервал Δt 8·10^-26 c .

Пространство и время в физике

Физический энциклопедический словарь (М., 1983) даёт следующее определение: «пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время – порядок смены явлений …».

Пространство и время в физике определяются в общем виде как фундаментальные структуры координации материальных объектов и их состояний:

- система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т. д.), образует пространство;

- система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т. д.), образует время.

1)  Становление представлений о физическом пространстве и времени

В период архаики[198] пространство и время вообще не вычленялись из материальных объектов и процессов природы, представления о них формировались в рамках мифологической картины мира. Различные участки территории обитания наделялись различными положительными и отрицательными качествами и силами в зависимости от присутствия на них различных сакральных[199] объектов (захоронения предков, тотемы, храмы и т. д.). Время также членилось на качественно различные периоды, благоприятные или зловредные по отношению к жизнедеятельности древних социумов. В дальнейшем развитии мифологическая картина мира стала функционировать в рамках циклического времени: будущее всегда оказывалось возрождением сакрального прошлого. На страже этого процесса стояла жёсткая идеология (обряды, запреты, табу и т. д.).

Развитая мифология пришла к представлению о членении мира на уровни (первоначально на Небо, Землю и Подземный мир, с последующим выяснением "тонкой структуры" двух крайних уровней, напр. седьмое небо, круги ада), можно дать более ёмкое определение пространства и времени мифологической картины мира: циклическая структура времени и многослойный изоморфизм[200] пространства.

Самостоятельный статус пространство и время получили в античной философии. В античной натурфилософии пространство и время трансформируются в фундаментальные субстанции, в первооснову мира, как вместилища ("ящик без стенок" и т. д.). Так, пустота у Демокрита заполнена движущимися атомами, а у Аристотеля материя континуальна и заполняет пространство без разрывов.

Субстанциальная концепция времени связана с представлением о вечности, некой неметризованной абсолютной длительности.

Важнейшим концептуальным достижением Древней Греции, определившим дальнейшее развитие представлений о пространстве (и времени), стала геометрия Евклида и геоцентрическая система мира К.Птолемея[201]. Картина мира Евклида отлична от аристотелевой и включает в себя представление об однородном[202] и бесконечном пространстве. В концепции Птолемея ‑ первой универсальной математической модели мира, пространство Вселенной конечно. Евклидова геометрия в дальнейшем  сыграла роль концептуальной основы классической механики.

Начало классической механики и сама возможность её построения были связаны с коперниканской[203] революцией XVI в., в ходе которой гелиоцентрический космос предстал как единая конструкция, без деления на качественно отличные небесный и земной уровни. Однако пространство в системе мира Коперника остаётся ограниченным.

Дж. Бруно[204] связал воедино бесконечность Вселенной и пространства, разрушил ограничивающую небесную сферу, поместил космос в бесконечное пространство, лишил его центра, заложил основу однородного бесконечного пространства, в рамках которого усилиями блестящей плеяды мыслителей (И. Кеплер[205], Р. Декарт[206], Г. Галилей, И. Ньютон  и др.) была развита классическая механика. Уровня систематической разработки она достигла в знаменитых "Математических началах натуральной философии" Ньютона[207], который разграничивал в своей системе два типа пространства и времени: абсолютные и относительные.

2). Пространство и время в классической механике

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И.Ньютона.

В рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной, в которой существуют множество космических объектов – центров гравитации, утверждается представление о бесконечном пространстве как вместилища самого себя и всего существующего.

Ньютон предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные).

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

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

Относительное пространство – 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.

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

Согласно Ньютону представления об абсолютном пространстве и времени существенную роль играют на теоретическом уровне классической механики и выступают в качестве универсальной (абсолютно инерциальной) системы отсчёта. На эмпирическом уровне познания мира, когда эти понятия ограничены чувствами познающего субъекта, они выступают в качестве относительного пространства и времени.

Следует отметить, что в рамках эмпирической фиксации были вскрыты такие фундаментальные свойства пространства и времени, не отражённые на теоретическом уровне классической механики, как трёхмерность пространства и необратимость времени.

Абсолютное пространство и время оказались парадоксальными с точки зрения здравого смысла и конструктивными на теоретическом уровне. Например, концепция абсолютное времени парадоксальна потому, что, во-первых, рассмотрение течения времени связано с представлением времени как процесса во времени, что логически неудовлетворительно; во-вторых, трудно принять утверждение о равномерном течении времени, ибо это предполагает,  что существует нечто контролирующее скорость потока времени. Более того, если время рассматривается "без всякого отношения к чему-либо внешнему", то какой смысл может иметь предположение, что оно течёт неравномерно? Если же подобное предположение бессмысленно, то какое значение имеет условие равномерности течения?

Ньютоновская субстанциональная концепция пространства и времени получила неоднозначную оценку среди современников. С критикой взглядов Ньютона выступил Г.Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую их существование как абсолютных сущностей, отвлечё   нных от самих вещей. Однако данные представления не оказали заметного влияния на физику того периода.

Основные положения ньютоновской картины мира, связанные с пространством и временем, заключаются в следующем:

· Пространство абсолютное (независимое от системы отсчёта и свойств материальных объектов), бесконечное, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений), плоское (евклидовое, т.е. его метрические свойства описываются геометрией Евклида).

· Время абсолютное (независимое от системы отсчёта и свойств материальных объектов), однородное, равномерно текущее во всей Вселенной.

· Классические представления об абсолютном пространстве и времени получили чёткое выражение в механическом принципе относительности и концепции дальнодействия[208].

3). Пространство и время в классической электродинамике

До XIX в. физика была в основном физикой вещества[209]. Изучение электромагнитных явлений выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механическими телами. В физике, благодаря М.Фарадею и Д.Максвеллу, появилось новое понятие – «поле[210]», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона».

Представление о поле как физической реальности потребовало замены концепции дальнодействия концепцией близкодействия[211]. В остальном основные положения ньютоновской картины мира, связанные с пространством и временем остались прежними.

Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

4). Изменение геометрических представлений о пространстве

Представления о пространстве и времени, сложившиеся в рамках классической механики, были абсолютизированы, а в философии рассматривались как априорные (доопытные, врождённые) формы чувственного созерцания. Единственно возможной геометрией пространства считалась геометрия Евклида. Описываемое этой геометрией пространство получило название плоского (евклидова) пространства.

Однако уже в 20-х гг. XIX в. были разработаны варианты неевклидовых геометрий (К. Гаусс[212], H. И. Лобачевский[213], Я. Больяй[214] и др.). Математиков давно интересовал вопрос о полноте аксиоматики евклидовой геометрии. В этом отношении наибольшие подозрения вызывала аксиома о параллельных. Был получен поразительный результат: оказалось, что можно развить непротиворечивую систему геометрии, отказавшись от аксиомы о параллельных и допустив существование нескольких прямых, параллельных данной и проходящих через одну точку. Представить себе такую картину крайне трудно, но учёные уже усвоили гносеологический урок коперниковой революции ‑ наглядность может быть связана с правдоподобностью, но не обязательно с истиной.

Б. Риман[215] обобщил понятие пространства (куда как частные случаи вошли евклидово пространство и всё множество неевклидовых пространств), положив в его основу представление о метрике, ‑ пространство есть трёхмерное многообразие, на котором можно аналитически задать различные аксиоматические системы, и геометрия пространства определяется с помощью шести компонент метрического тензора, заданных как функции координат. Риман ввёл понятие кривизны пространства, которое может иметь положительное, нулевое и отрицательное значения. В общем случае кривизна пространства не обязательно должна быть постоянной, а может меняться от точки к точке.

Поэтому пространство, описываемое неевклидовыми геометриями, получило название искривлённого пространства.

На таком пути были обобщены не только аксиома о параллельных, но и другие аксиомы евклидовой геометрии, пересмотру были подвергнуты многие фундаментальные свойства пространства. Обобщению было подвергнуто также представление о размерности пространства: была развита теория N- мерных многообразий и стало возможным говорить даже о  бесконечномерных пространствах.

Первоначально полагали, что неевклидовы геометрии – воображаемые геометрии, не связанные с физической реальностью. Однако, дальнейшее развитие физики показало, что эти геометрии явились мощным математическим инструментарием, существенно обогатившего представления о пространстве, сыграли важную роль в развитии физики XIX  - ХХ вв.

5). Пространство и время в специальной теории относительности

Теория относительности Эйнштейна была создана как электродинамика  движущихся тел, в основу которой были положены новый принцип относительности (относительность обобщалась с механических явлений на явления электромагнитные и оптические) и принцип постоянства и предельности скорости света с в пустоте, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Поэтому он начал построение электродинамики движущихся тел с определения одновременности, используя световые сигналы для синхронизации часов.

 Если в классической механике пространство и время абсолютны (не зависимы друг от друга и от системы отсчёта), то, как показал Эйнштейн, в релятивистском случае относительными являются не только «одновременность» событий и «промежуток времени» между событиями, но и «длина», иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время. Причём, соответственно сокращение длины и замедление времени носят не динамический характер (как считали Г.. Лоренц[216] и Д. Фицджеральд[217]) и не являются следствием специфики субъективного наблюдения, а выступают элементами новой релятивистской концепции пространства и времени.

Вывод: пространство и время относительны, взаимосвязаны, образуют единый пространственно-временной континуум[218].

6). Пространство и время в общей теории относительности

Специальная теория относительности была лишь первым шагом, ибо новый принцип относительности был применим лишь к инерциальным системам отсчёта. Следующим шагом стало распространение этот принцип Эйнштейном на системы равноускоренные и вообще на весь круг неинерциальных систем отсчёта ‑ так родилась общая теория относительности.

В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел.

Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено экспериментально. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщён принцип относительности, утверждающий инвариантность законов природы в любых системах отсчёта.

Как можно представить себе искривлённое пространство? Представим себе тонкий лист резины и будем считать, что это – модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики – модели звёзд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела, когда евклидова геометрия неприменима.

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием поля тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Так, задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

Одно из предсказаний общей теории относительности – полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота.

Общая теория относительности получила блестящие эмпирические подтверждения и послужила основой последующего развития физики и космологии на базе дальнейшего обобщения представлений о пространстве. и времени, выяснения их сложной структуры.

7). Пространство и время в микромире

Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день является наиболее последовательным. Но они являются макроскопическими. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени, была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теорию относительности в микромире, пока нет. Однако развитие квантовой теории, возможно, потребуют пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.

 Так, в микромире становится бессодержательным понятие пространственно-временной траектории частицы (обладающей как корпускулярными, так и волновыми свойствами). Любое повышение точности определения пространственно-временной локализации квантового объекта сопряжено с повышением неточности в определении его импульсно - энергетич. характеристик.

Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц. Оказалось, что микромир является сложной многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды взаимодействий и характерные специфические свойства пространственно-временных отношений.

Плодотворной может оказаться гипотеза о квантовании (дискретности) пространства и времени (прежде всего, в теории суперструн[219]). Возможно, существует квант пространства – планковская длина l_p  10^-35 м и квант времени – планковское время t_p =  10^-43 c. Кроме того в теории суперструн выдвигается гипотеза о многомерности пространства на квантовом уровне.

 Вывод: на уровне микромира сохранились релятивистские представления о пространстве и времени, однако, они требуют согласования с квантовыми представлениями о природе материи.

8).Единицы измерения длины и времени

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла в качестве предпочтительной Международную систему единиц измерений (СИ).

Согласно Си установлены следующие единицы длины и времени:

Метр – единица длины, равная расстоянию, проходимому в вакууме плоской электромагнитной волны за   долей секунды.

Секунда ‑ единица времени, равная9192631770периодам излучения, соответствующего перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия – 133.

9). n – мерность пространства