«Концепции современного естествознания» (стр. 6 )

Иногда перед исследователем открывается новая область непознанного, мир новых объектов и явлений. Это может вызвать революционные изменения в ходе научного познания, как случилось, например, при открытии таких новых миров, как мир микроорганизмов и вирусов, мир атомов и молекул, мир электромагнитных явлений, мир элементарных частиц, при открытии явления гравитации, других галактик, мира кристаллов, явления радиоактивности и т. п.

Таким образом, в основе научной революции может быть обнаружение каких-то ранее неизвестных сфер или аспектов действительности.

Тема 5.Концепции физики.

5.1.Структурные уровни организации материи

Макромир: концепции классического естествознания. Наряду с обыденным и религиозно-мифологическим пониманием природы в V веке до н. э., в Античной греческой культуре зарождается научное познание ее. Вплоть до XVII в., когда возникает экспериментальное естествознание, оно развивается в форме натурфилософии (от лат. natura – природа и греч. fileo – любовь, sophia – мудрость). Здесь природные явления объяснялись с помощью умозрительных философских идей и принципов, выработанных на основе житейской практики и относящихся к макромиру. Макромир – это мир объектов и пространственно-временных отношений соразмерных с масштабами человека, выражаемых в миллиметрах, сантиметрах, метрах, километрах; секундах, минутах, часах, годах и т. д. Высшим достижением натурфилософии было понятие атом (от греч. аtomos – неделимый), наиболее полно обоснованное Демокритом почти за 500 лет до рождения И. Христа. Атомизм объяснял мир исходя из концепции дискретного строения его, согласно которому все тела состоят из атомов как простейших элементов. Атомы и есть субстанция (от лат. substantia – сущность) мироздания. Сущность природных объектов и процессов объяснялась через порядок и количество взаимодействующих атомов, через притяжение их и отталкивание. Причем само взаимодействие понималось только механически. Механицизм, зародившийся в натурфилософии, потом получил полное развитие в механике и стал научной программой классического естествознания XVII-XIX вв., и сущностью разработанной им картины мира. «Краеугольный камень» механистической картины мира заложил Г. Галилей открытием закона падения тел. Он наполнил гелиоцентрическую систему Н. Коперника физическим смыслом, введя понятие инерции и ускорения. Его доказательства опирались на опытные данные. Изменив методологию познания, он вместо вопроса почему камень падает отвечал на вопрос «как он это делает?». В объектах он выделял только физические и геометрические характеристики, полагая, что природа есть книга, которая написана треугольниками, квадратами и т. п. и требует для прочтения математики. Он требовал обосновать общие теоретические положения с помощью наблюдения и эксперимента, считал, что мир можно познать с помощью механики, математики и разума. И. Ньютон, учитывая достижения Галилея, разработал теорию механики, сформулировав законы механического движения, которые описывали как небесные так и земные объекты. Все движения тел он пытался познать с помощью механистического, каузального (от лат. causa – причина) и математического объяснения. В рамках механистической картины мира, материя рассматривалась только как вещество, а атомы понимались как материальные тела, абсолютно твердые и неделимые, имеющие массу и вес, механически взаимодействующие, где действие равно противодействию, где возможны силы ускорения и инерции и т. п. Сложилось корпускулярное (от лат. сorpusculum - тельце) понимание мира; материя дискретна, атомы ее фундаментально структурные элементы, движение которых осуществляется по законам механики в трехмерном Евклидовом пространстве и одномерном времени. Всякое движение можно свести к перемещению материальных точек под действием сил тяготения, распространяющихся мгновенно на любое расстояние. Все виды взаимодействий имеют необходимый характер. Описать любое явление природы можно абсолютно объективно, безотносительно к средствам наблюдения, системам отсчета и наблюдателю. Поэтому любое состояние в прошлом, настоящем или будущем при достаточно точных исходных данных и способах исчисления, можно однозначно описать. Это был образ Вселенной как гигантского и однозначно детерминированно работающего механизма. Позже, в XX в. это стали называть основополагающим мифом классической науки.

Корпускулярные представления были распространены на все виды реальности. Ньютон разработал, исходя из этого, теорию света, предположив, что он есть поток корпускул и на основе законов механики объяснил явления отражения и преломления света. Однако не всё в поведении света описывалось корпускулярной теорией. Х. Гюйгенс показал, что два луча света при пересечении пронизывают друг друга без искажений, подобно тому как это случается при пересечении двух рядов волн, скажем на поверхности воды. Отсюда было сделано предположение о волновой природе света, а значит должна существовать некая упругая среда (эфир), а свет это колебания эфира. Опыты показали, что свет (как и волны) может «обтекать» препятствия (явление дифракции) и при наложении света на свет появляются темные полоски, что возможно волны накладываются друг на друга с противоположными фазами и, следовательно, гасят друг друга. Фарадей сделал вывод о глубоком сходстве электричества и света и стал рассматривать свет как колебания электромагнитного поля. Дж. К.Максвелл стал рассматривать поле как самостоятельный вид реальности и разработал систему управлений описывающих электромагнитные явления достаточно логично и математически точно. Вычислив скорость распространения электромагнитного поля, Максвелл пришел к выводу, что она равна скорости света. Герц подтвердил это экспериментально. В результате стало ясно, что открыт новый вид материальной реальности – поле. Стало ясно, что материя существует в двух видах: вещество – дискретное в своей сущности и поле - непрерывное по своей природе. Частицы вещества обладают массой покоя, поле – нет; вещество обладает низкой степенью проницаемости, поле – высокой; скорость движения частиц вещества на несколько порядков ниже скорости света и т. д. Классическая физика не нашла пути к пониманию того, что между веществом и полем есть единство, что поле может обладать дискретностью и корпускулярностью, а вещество может описываться волновыми характеристиками, что возможен корпускулярно-волновой дуализм. Эту задачу решила уже новая физика – физика микромира.

5.2. Микромир: концепции современной физики

ХХ век вывел естествознание к микрообъектам в физике, химии, биологии, т. е. был открыт микромир – мир непосредственно не наблюдаемых объектов с предельными характеристиками в пространственной размерности от 10-8 до 10-16 см и с временем жизни от 10-24 сек. до º. Концептуальные идеи и принципы классической физики оказались неприменимыми для объяснения явлений микромира. Прежде всего рухнуло представление об атомах как неделимых и абсолютно простых объектах. Открытие электрона – отрицательно заряженной частицы, которая входит в структуру атома, при том, что он электрически нейтрален, позволило предположить, что в нем содержится еще и положительно заряженная частица. Исследование радиоактивности показало, кроме того, что атомы одних химических элементов могут переходить в атомы других химических элементов, а это невозможно, если считать, что атомы неделимы. Наконец, Э. Резерфорд экспериментальным путем установил, что атом имеет сложную структуру. Облучая альфа частицами, имеющими положительный заряд, атомы различных химических элементов, он обнаружил отклонения этих частиц под разным углом иногда даже более 900 .

Так было открыто ядро, размер которого 10-12 см., что значительно меньше размера атома (10-8 см.), но в нем заключена почти вся масса. Стало ясно, что атомы это объекты со сложной структурой, и не являются простейшей формой материи. Из периодической системы химических элементов следовало, что существует многообразие структур и форм атомов, а, следовательно, существует многообразие и частиц, из которых они состоят. Изучая элементарные частицы, физика столкнулась с парадоксом для логики классического естествознания. Объекты микромира обнаруживали не только волновые, но и корпускулярные свойства. Проблема привлекла внимание М. Планка, который теоретически доказал, что в процессах излучения и поглощения энергия может передаваться только конечными порциями – квантами, а величина ее зависит от частоты излучения. Квант может поглощаться и излучаться отдельным атомом, т. е. он ведет себя как корпускула. Понятие кванта послужило в дальнейшем, ключом к пониманию свойства как атомной оболочки так и ядра, что привело к фундаментальному преобразованию не только физики, химии, но и биологии, т. е. был открыт путь к квантовой теории, к новой атомной физике, а через них к новому естествознанию и новой картине мира.

Опираясь на идею кванта, А. Энштейн построил новую теорию света, где свет рассматривается как распространяющийся в мировом пространстве волновой процесс, энергия которого концентрируется в дискретных порциях – фотонах. Различие цветов, например, определяется энергией квантов и частотой излучения. Квантовая теория света объясняла явления фотоэффекта, показав, что электрон выбивается из атома вещества, если энергия фотона, а, следовательно, и его частота, выше энергии связи электрона с веществом. Квантовая теория света позже получила экспериментальное подтверждение, что означало ее истинность. Стало очевидно, что свет не только непрерывен, но и дискретен, что его природа не только волновая, но и корпускулярная. Корпускулярно-волновой дуализм позволил Н. Бору приступить к разработке теории и модели атома, пришедшей на смену планетарной модели Э. Резерфорда, который предлагал атом представлять по аналогии с солнечной системой: ядро – в центре, вокруг по орбитам двигаются электроны. Положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов, атом электрически нейтрален, а его место в системе Менделеева определяется величиной заряда ядра.

Трудность заключалась в том, что электроны должны вращаться вокруг ядра, но тогда согласно электродинамике, они должны излучать энергию, следовательно, теряя ее они должны были бы «упасть» на ядро. Кроме того, излучение должно было быть непрерывным, но опыт показывал, что оно осуществляется квантами, т. е. дискретно. Разрешил противоречие Н. Бор, разработав квантовую теорию атома, с учетом принципа корпускулярно-волнового дуализма. Он предположил: 1) Каждый атом может иметь несколько стационарных состояний, когда электрон, двигаясь по орбите, может не излучать энергию и 2) Электрон, получив возбуждение, может менять орбиту и тогда он излучает или поглощает энергию. Стало ясно, почему атомы химических элементов в обычном состоянии не излучают энергию. Преимущества теории Н. Бора были наиболее четко продемонстрированы при описании атома водорода, как наиболее простого типа атомных структур. В дальнейшем, однако, возникли трудности. Дело в том, что длина волны электрона равна 10-8 см. Это размер самого атома. Описать движение материальной точки как механическое можно точно только в том случае, если волновая характеристика этой частицы пренебрежимо мала по сравнению с описываемой системой, но это значит, что электрон следует рассматривать не как плотный шарик, а как пластическое образование с гибкой внутренней структурой. Следовательно, представлять движение электрона как точки по строго фиксированной орбитальной траектории неверно. Он, обладая волновыми характеристиками, как бы растянут по орбите, причем неравномерным образом. В одних точках его плотность выше, в других – ниже. Кривая, связывающая точки максимальной плотности считается в электродинамике образом орбиты электрона. Сделанные исходя из этого вычисления, подтвердили модель атома Н. Бора.

В своей теории атома Н. Бора не удалось полностью отказаться от принципов классической физики. Однако стало ясно, что необходимы не классические идеи и принципы, поскольку невозможно выразить сущность атома с помощью механического моделирования. В атоме обнаруживались новые и неизвестные свойства материи, особенно для элементарных частиц, для их пространственных и временных характеристик, для понимания причинности и т. д. Модель атома не может быть «наглядной», она скорее абстрактно-символическая конструкция теоретической физики.

Л. де Бройль распространил волновые представления на все виды материальных объектов, как на микро так и на макро уровне. Любому телу, обладающему массой и движущемуся с определенной скоростью, соответствует волна. Э. Шредингер нашел математическое уравнение, описывающее поведение волн материальных объектов. Идея дуализма волновых и корпускулярных свойств позволила построить теорию, охватывающую процессы движения как вещества, так и поля, причем понятие волны приобрело абстрактный вид и стало пониматься как «волна вероятности», т. е. она стала указывать на определенную возможность нахождения частицы в пределах некоторого объема. Позже корпускулярно-волновой дуализм нашел экспериментальное подтверждение и стал концептуальным принципом новой физики. В квантовой механике используются как корпускулярные представления, предполагающие, что частица заключена в малом объеме и в конечном пространстве, а наряду с этим – она «волна», которая распространяется в пространстве и не имеет «точечной» локализации.

Сущность этого противоречивого единства получила теоретическое выражение в соотношении неопределенностей В. Гейзенберга, которое гласит, что нельзя одновременно определить все параметры частицы. Координаты частицы и ее импульс, изменение энергии и время, в течение которого произошло изменение величины взаимодополнительные. Получение экспериментальной информации об одних величинах неизбежно связано с потерей информации о других величинах. Скажем, при точном измерении скорости нельзя определить координаты частицы и т. п. Для классической науки это было бы абсурдом. По существу, принцип соотношения неопределенностей показал, что невозможно наблюдать микрообъекты, не нарушая их состояние, следовательно, невозможно знание объекта безотносительно к субъекту и средствам наблюдения, к системе описания. В данном случае познания имеется два типа приборов: в одних объекты исследования способны проявить волновые свойства; в других – корпускулярные. Кроме того, в экспериментах наблюдается реальность не сама по себе, а ее проявление в приборе, которое включает в себя и результаты взаимодействия с прибором. Н. Бор, исходя из этой ситуации, сформулировал «принцип дополнительности» и объяснил его влиянием макроприбора на состояние микрообъекта, т. е. роль измерительного прибора заключается в некотором «приготовлении» состояния изучаемой микросистемы событий. Для микрообъектов, существенным и соразмерным является квант действия, заданный постоянной Планка (h), но из-за малой величины, она не имеет значения для описания макрообъектов. Таким образом, современная наука при исследовании микрообъектов с помощью макросредства должна «сопрягать», т. е. искать пути взаимодополняющего описания, построенного, с одной стороны, на знаниях в микроявлениях, а с другой – относящимся к характеристикам макрообъектов.

Дальнейшее познание микромира было связано с выходом на уровень элементарных частиц, т. е. более глубокий, чем атомно-молекулярный уровень. Первым был открыт электрон, а затем фотон, протон, позитрон, нейтрон и т. д. К концу ХХ в. открыто более 300 элементарных частиц. Часть из них открыты в эксперименте, другие вычислены теоретически. Современная наука не сомневается в сложной природе элементарных частиц. Они имеют структуру, многообразные свойства, изменчивы, но термин, исторически сложившийся сохраняется. Во всем составе характеристик элементарных частиц, существенными считаются: время жизни, масса, заряд и его квантовое число.

Все элементарные частицы способны рождаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Некоторые частицы способны к стабильному существованию, могут существовать в свободном или слабо связанном состоянии. Сюда относятся электроны, протоны, нейтроны, фотоны и различного рода нейтрино. Остальные частицы нестабильны и в свободном состоянии не существуют. Так электрон может существовать более 5·1021 лет, протон более 5·1031 лет, в то же время нейтрон может существовать 15,3 мин. Многие элементарные частицы существуют от 10-22 до 10-24 сек. За это время они не могут покинуть пределы атома или его ядра. Поэтому зафиксировать их экспериментально не удается, их называю резонансными частицами.

Масса частицы рассчитывается через отношение к массе покоя электрона. Некоторые частицы массы покоя не имеют. Остальные делятся на три группы: легкие частицы – лептоны, средние - мезоны, и тяжелые - барионы. Различие масс элементарных частиц имеет тысячекратные значения.

Электрический заряд частицы обладает целой и кратной величиной =0; ±1; ±2, характеризуясь при этом как положительный, отрицательный или нейтральный (нулевой). Определяется заряд через отношение к заряду электрона, который берется за единицу и считается простейшим. Однако новые теоретические расчеты и косвенные электрические данные свидетельствуют о возможном физическом существовании принципиально новых элементарных частиц кварков, заряд которых должен быть дробным. В зависимости от этого различаются свойства кварков, которые условно различаются цветами «красный», «синий» и «желтый». Кроме того, различают кварки по «ароматам», которых известно 5. Однако, кварии не зарегистрированы в свободном состоянии, их «наблюдают» косвенно, внутри частиц и поэтому допускается, что они-то и выступают в роли «кирпичиков» микромира.

Кроме того, элементарные частицы обладают характеристикой, для которой почти нет аналогов в классической картине мира - спин (от англ. Spin – вращение). Это собственный момент количества движения микрочастицы. Он имеет дискретную, квантовую природу и не связан с движением частицы как целого. Измеряется он постоянной Планка «h» и может быть как целым (0, 1, 2…), так и полу целым – (1/2, 3/2 …). Физический смысл пока мало понятен.

Элементарные частицы существуют в системе сложных взаимодействий. Взаимодействие имеет обменный характер, в нем частицы возникают и исчезают, меняют свои свойства и характеристики, преобразовываются и переходят друг в друга. Взаимодействие – фундаментальное условие «жизнедеятельности» частиц. Различают четыре типа взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие примерно в 1000 раз сильнее электромагнитного, действует в радиусе 10-13сек., что укладывается в размеры ядра атома, поэтому его часто называют «ядерной силой». Сильное взаимодействие связывает протон и нейтрон в ядре и эта пара образует нуклон.

Плотность вещества в ядре, благодаря сильному взаимодействию достигает 150·106 г/см3 ,т. е. в ядре практически сосредоточена вся энергия атома. Поэтому расщепление ядра и высвобождает гигантское количество энергии, именно поэтому ядро очень устойчиво и его трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется между элементарными частицами, имеющими электрический заряд. Переносится оно через электромагнитное поле, с помощью фотонов. Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного. По силе оно занимает промежуточное положение между сильным и слабым взаимодействием. Оно осуществляется между ядрами и электронами, участвует в молекулярных связях и просто между частицами. К электромагнитным взаимодействиям, в конечном счете, сводятся силы упругости, трения, химическая связь. Оно приводит к излучению электромагнитных волн; играет основополагающую роль в химии и биологии, в электротехнике и т. д.

Слабое взаимодействие допускает участие всех элементарных частиц, и по силе стоит между электромагнитным и гравитационным взаимодействием, однако, существенно сильнее гравитационного. Действует оно на расстояниях порядка 10-15 – 10-22см, связано в основном с процессами распада элементарных частиц, благодаря чему, многие из них нестабильны и имеют минимальное время жизни.

Гравитационное взаимодействие универсальное и самое слабое из известных. Оно не оказывает явного влияния на поведение элементарных частиц, а по этому в теории о них не учитывается и пренебрегается как незначительная величина. Однако в теоретических расчетах при чрезвычайно малых расстояниях (при 10-33 см.) или при чрезвычайно больших массах и энергиях, гравитация приобретает значения сравнимые с остальными видами взаимодействий. Поэтому в космических масштабах гравитационное взаимодействие приобретает решающее значение, оно, например, может изменять свойства (метрику) пространства и времени. Переносится это взаимодействие с помощью гравитационных волн и фиксируется в расчетах как сила тяготения.

Все виды взаимодействий объективно взаимосвязаны, хотя каждое из них имеет свою специфику. Все взаимодействия осуществляются во времени, распространяются в форме соответствующего поля. В настоящее время предпринимаются попытки разработать единую теорию поля, единое понятие суперсилы и, в конечном счете, свести все виды взаимодействий к единому фундаментальному взаимодействию. Однако эта задача имеет пока лишь теоретический смысл. В современной теории поля, оно понимается числом частиц, т. е. квантов поля. Низшее энергетическое состояние поля это случай когда есть вакуум. В вакуумном состоянии электромагнитное поле не возбуждено и не порождает фотоны. Вакуум не содержит обычных видов материи, однако, он не является абсолютной пустотой и при соответствующем возбуждении, возникают кванты, благодаря которым становится возможным электромагнитное взаимодействие. Кроме того, допускается, что в вакууме возможно присутствие гравитонов, квантов гравитационного поля. Природа поля такова, что оно, будучи совокупностью квантов – дискретно и вместе с тем непрерывно, континуально, что отражается волновой функцией.

Для полного понимания сущности поля необходимо решить вопрос к природе и структуре элементарных частиц. Однако, это принципиально иной вид материи и многое здесь остается непонятным. Так например, для материальных тел от атома до макротел больших масштабов, соотношение части и целого, элемента и системы это отношение простого к сложному: часть меньше, проще целого и т. п. Для элементарных частиц подобные соотношения невозможны. Результаты распада элементарных частиц могут быть не проще, чем исходная частица, т. е. продукты распада находятся на том же уровне в структурной организации материи. Почти каждая элементарная частица может стать «частью» другой элементарной частицы. На этом уровне материи структурное целое не обязательно будет больше, чем составляющие его «части». Так, например, из нейтрона при определенных условиях, могут возникнуть протон, электрон и нейтрино, однако исходная частица не более сложна, чем полученные из нее производные частицы. Таким образом, соотношение «целого» и «части», «простого» и «сложного» в мире элементарных частиц имеют совершенно иную логику, чем в мире макрообъектов.

Аналогичные «странности» обнаруживаются в энергетических процессах и характеристиках элементарных частиц. Для макротел характерно то, что их энергия складывается из двух составляющих: собственной энергии, эквивалентной массе и суммарной энергии связей элементов данного тела. Причем, собственная энергия значительно превышает энергию связей. Если энергия воздействия на связи выше, то объект распадается на элементы так, что они не теряют своей определенности. Молекулу можно разложить на атомы, сохранив их определенность.

Все иначе происходит на уровне элементарных частиц. Энергия связи и собственная энергия в них неразличимы. Поэтому они не могут распадаться на части, хотя и имеют внутреннюю структуру. Внутренняя структура элементарных частиц существует за счет непрерывного взаимопревращения, через возникновение и исчезновение виртуальных частиц. Причем виртуальные частицы вне элементарной частицы не существуют. Например, Виртуальные частицы нуклон и антинуклон, постоянно аннигилируя (от лат. annihilato – уничтожение) т. е. исчезая и возникая, создают, таким образом, частицу мезон. Не менее странно выглядит процесс рождения элементарных частиц из вакуума. Однако если вакуум через гравитационные и электромагнитные поля связан с процессами во Вселенной, то возможно эти «странности» микромира станут понятными если будет познан мегамир, его сущность и закономерности.

5.3. Развитие взглядов на пространство и время

в истории научного познания

Описание любых явлений в мире начинается с установления пространственных и временных характеристик. Построение картины мира невозможно без установления расстояний, длин, длительностей, частот, размерностей и т. п. Поэтому уже античные мыслители придавали особое значение разработке понятий «пространство» и «время». Демокрит допускал, что пространство можно отождествлять с пустотой, иначе невозможно движение тел. Эмпедокл возражал, подчеркивая, что рыба перемещающаяся в воде, не нуждается в пустоте. Евклид связал пространство с геометрическими представлениями, придал математический смысл пространственным и временным характеристикам, ввел понятие их однородности, а для пространства - бесконечности. Птолемей разработал геоцентрическую модель Солнечной системы, используя идеи Евклида.

В XVI в. Коперник коренным образом изменил картину мира, показав, что в пространстве Вселенной нет «центра вращения». Идея однородного пространства и равномерно текущего времени была распространена на весь мир. Бруно отождествил бесконечность пространства и времени с бесконечностью Вселенной. Но подлинное теоретическое, математическое и эмпирическое понимание сущности пространства и времени разработал Галилей. В механике он пользовался точными математическими формулами и экспериментальной проверкой расчетов пространственно-временных характеристик движущихся тел. Он разработал принцип относительности. Пространственные характеристики и время инвариантны (от лат. invarians – неизменяющийся) для систем движущихся равномерно и прямолинейно или находящихся в покое. Принцип Галилея верен для макропроцессов и небольших скоростей. Декарт нашел пути к объединению физики и геометрии, изобрел известную систему координат, в которой время могло быть представлено как одна из осей наряду с пространственными осями x, y или z. Он также отождествил свойства материальности и протяженности, ввел идею близкодействия, пришел к идее материальности пространства и видел сущность времени в длительности. В итоге утвердилась концепция физической природы пространства и времени.

И. Ньютон на базе этих достижений построил, ставшую потом классической, механистическую картину мира. Центральным в ней стал закон всемирного тяготения. Сила тяготения всеобща и универсальна. Она пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния. Тяготение обеспечивает внутреннюю целостность бесконечной Вселенной, в которой существует множество центров гравитации. Вселенная бесконечна в пространстве. Пространство и время абсолютны в том смысле, что они могут существовать независимо от материальных тел и даже тогда, когда материальные тела отсутствуют. Это субстанциальное понимание, которое надолго закрыло релятивистский (от лат. relativus – относительный) подход. Сущность пространства и времени Ньютон определяет через слово «вместилище» тел. С одной стороны, это порядок сосуществования, а с другой, в порядок последовательности. Абсолютность пространства и времени выражается абстрактно или математически. Относительное пространство и время выражается чувственно, они измерены в каких-то единицах – метрах, секундах и т. п. Таким образом, познание пространства и времени возможно как на теоретическом так и на эмпирическом уровне. Механика, математика, геометрия имеют дело с абсолютным пространством и временем. Ньютоновское понимание пространства и времени сыграло положительную роль в развитии науки тем, что позволило разработать абстрактно-математический аппарат для исчисления пространственных и временных отношений и зависимостей в макромире. Однако, допущение существования пространства и времени вне материи закрыло дорогу к пониманию физической их природы, зависимости свойств пространства и времени от материальных причин и факторов.

Лейбниц подверг критике ньютоновское учение о пространстве и времени. Пространство и время не могут существовать как абсолютные сущности, независимые от материи. Где нет материи, нет и пространства и времени. Лейбниц настаивал на том, что пространство и время – это системы отношений между объектами, которые можно фиксировать различными способами и измерениями. Поэтому его учение о пространстве и времени позже стали называть реляционной концепцией. В определенном смысле Лейбниц может рассматриваться как предшественник Эйнштейна, после которого утвердилось релятивистское понимание пространства и времени. Однако авторитет Ньютона и его механики, позволявшей удивительно точно производить расчеты положений небесных тел в прошлом, настоящем и будущем, не позволили идеям Лейбница утвердиться в науке вплоть до начала ХХ в. Поэтому классическая картина мира сложилась на базе ньютоновских идей и принципов.

Пространство рассматривалось как бесконечная, идеальная плоскость, допускающая линейные характеристики и исчисления. Такое пространство описывается геометрией Евклида. Для материальных тел оно выступает как абсолютная пустота, оно однородно и изотропно (tropos – поворот), в нем размещаются материальные тела. Реальное пространство трехмерно, что фиксируется декартовой системой координат, а физические свойства не зависят от направления движения или поворота координат.

Время одномерно, оно так же абсолютно и однозначно. Это чистая длительность, независимая от физического содержания событий во Вселенной. Равномерность течения времени позволяет синхронно фиксировать события в любом участке бесконечной Вселенной и независимо от системы отсчета. А в таких пространственно-временных представлениях стало возможным введение принципа дальнодействия, согласно которому гравитация, распространяясь прямолинейно и с бесконечной скоростью, связывает в каждый момент времени «все со всем». Как подчеркивал Ньютон, пространство и время «чувствилища» Бога. Теория Ньютона хорошо описывала движение макротел с конечным числом степеней свободы, с небольшой массой и скоростью, с механическими характеристиками. Вот почему открытие электромагнитных явлений обнаружило ограниченность классической механики. Максвелл и Томпсон установили, что в электромагнитных процессах силы действуют с конечной скоростью и не могут быть выше скорости света, что они действуют непрямолинейно и зависят от скорости. Стало очевидно, что классическая механика дает не полное описание мира, класс электромагнитных явлений из нее «выпадает». Существуют силы негравитационного характера, а их распространение имеет волновую природу. В научные представления вошло понятие поля, которое потребовало введения принципа близкодействия. Поле существовало в пространстве между объектами, но уже из микромира. Электромагнитное поле можно описать уравнениями, в которых обнаруживается зависимость величин, характеризующих электрические и магнитные его составляющие, с распределением в пространстве и времени зарядов и токов. Было сделано предположение, что волны электромагнитного поля распространяются через «эфир». Однако эмпирически в опытах Майкельсона было показано, что существование эфира не зависит от скорости движения Земли. Это явление невозможно было объяснить с позиций классической механики. Выход попытался найти Лоренц, который через математические преобразования показал, что пространственные и временные характеристики зависят от скорости, если она близка к скорости света. Эйнштейн, опираясь на преобразования Лоренца показал, что многие характеристики пространства и времени, например, такие как «длина» или «одновременность» относительны, что потребовало разработки новой теории.