Проблемы пространства и времени на различных этапах естествознания (стр. 2 )

Шаг этот сделал Галилео Галилей. Неслучайно историки науки связывают с именем Галилея возникновение 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.

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 невозможности существования 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.

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.

III.  Период классического естествознания

Следующим значительным шагом в развитии представлений о природе пространства и времени были работы представителей классической физики. Как и для античных исследователей мира, для представителей классической физики основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.

Законы Ньютона справедливы только для инерциальных систем. Однако ни одно реальное тело не может с идеальной точностью выполнять функцию такой системы, поскольку в реальности всегда присутствуют силы, нарушающие закон инерции и другие законы механики. По-видимому, это и привело Ньютона к понятию абсолютного пространства, для которого закон инерции и все другие законы механики имели бы абсолютную силу.

Ньютон писал: «Абсолютное пространство в силу своей природы, безотносительно к чему-нибудь внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство представляет собой некоторое подвижное измерение или меру абсолютных пространств; его мы определяем с помощью своих чувств через взаимное расположение тел, его вульгарно и истолковывают как неподвижное пространство...»[1]

«Абсолютное истинное или математическое время, - писал Ньютон, - само по себе и в силу своей внутренней природы течет одинаково, безотносительно к чему-либо внешнему и иначе зовется длительностью; относительное, кажущееся или обычное время представляет собой некоторого рода чувственную, или внешнюю (каким бы оно ни было точным и несравнимым), меру длительности, определяемую с помощью движения, которое обычно используется вместо истинного времени; это - часы, день, месяц, год...» [2]

У Ньютона абсолютное время существует и длится равномерно само по себе, безотносительно к каким-либо событиям. Абсолютное время и абсолютное пространство представляют собой как бы вместилища материальных тел и процессов и не зависят не только от этих тел и процессов, но и друг от друга.

В классической механике Ньютона пространственные отношения между двумя любыми материальными объектами регулируются в трехмерном пространстве, основанном на евклидовой геометрии, то есть требуется задавать три координаты – Δx, Δy, Δz. В силу этого оно непрерывно, упорядочено, трехмерно, бесконечно, безгранично - это трехмерный континуум точек.

Так же, когда мы говорим о пространственных отношениях, необходимо указывать направление действия от одного объекта к другому. Важнейшим свойством пространства является его изотропность – физическое равноправие всех направлений в пространстве.

Надо сказать, что в течение, по крайней мере, столетия обсуждается вопрос: являются достаточными (а также необходимыми) для описания времени и пространства свойства, представляемые множеством действительных чисел, или же нет. Окончательного ответа на этот вопрос нет и сегодня.

Заметим, что для описания любых изменений в природе требуется иметь некую систему, относительно которой определяется положение и время протекания процесса – систему отсчета. Она должна включать в себя тело отсчета, связанную с ним систему координат и указание о начале отсчета времени (часы). Системы отсчета Ньютона, как уже было замечено, инерциальные, а это значит, что тела в них движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют внешние силы.

Если рассматривать движение любого тела в нескольких инерциальных системах отсчета, то это движение отличается только скоростью, а ускорение тела во всех инерциальных системах отсчета одинаково. Это положение обобщено Галилеем и сформулировано им в виде принципа относительности в механике: во всех инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных условиях все механические явления протекают одинаково, т. е. подчиняются одним законам.

Другими словами, все инерциальные системы отсчета равноправны - любую из них можно считать неподвижной, а остальные - движущимися относительно данной равномерно и прямолинейно.

Никакими механическими опытами, поставленными внутри инерциальной системы отсчета, невозможно установить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно. По отношению к различным инерциальным системам отсчета скорость движения тела относительна, а ускорение абсолютно.

Необходимо отметить еще одно важное пространственное свойство: наличие внутренней симметрии или ассиметрии. Различные виды симметрии свойственны макромиру и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной ассиметрии, которым обладает уже молекула живого вещества.

В повседневном языке слово симметрия употребляется в двух значениях. В одном смысле симметричное означает нечто, обладающее хорошим соотношением пропорций, уравновешенное, а симметрия обозначает тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в единое целое.

Красота тесно связана с симметрией. Пифагорейцы считали наиболее совершенными геометрическими фигурами на плоскости - окружность, а в пространстве - сферу в силу их полной поворотной симметрии. Симметрия в широком или узком смысле является той идеей, посредством которой человек на протяжении веков пытается постичь и создать порядок, красоту и совершенство. Так свойства пространства и времени ведут к симметрии, к закономерности в природе как проявлению ее гармонии. Взаимодействие - способ, которым в природе поддерживаются различные симметрии. Например, классифицировать элементарные частицы можно используя понятие симметрии.

Таким образом, понятие симметрии и ее нарушений оказалось удобным способом описания сложных явлений. Современная физика именно так описывает явления микромира, добиваясь принципиально новых результатов. Однако, взаимоотношения подобного плана известны давно.

Не менее важны нарушения симметрии: это проявляется небольшими различиями правого и левого для человеческого тела (правой и левой рук, правого и левого полушарий мозга). Наиболее ярким проявлением асимметрии является отличие живого вещества от неживого. Особенность живого вещества или продуктов его жизнедеятельности проявляется в оптической активности. Это означает, что его молекулы обладают общей асимметрией, определяющей способность живого вещества к поляризации света, который через него проходит.

Считается, что возникновение асимметрии связано со случайностью и способностью к самокопированию биологических объектов: после возникновения первой асимметричной молекулы все последующие стали ее повторять, создавая глобальную асимметрию живого вещества. Благодаря этому феномену есть возможность отличить вещество биогенного происхождения от вещества неживого.

Основными принципами современной физики, как было показано еще в 1918 г. немецким математиком Амали Эмми Неттер, являются принцип симметрии и связанные с ним законы сохранения: закон сохранения энергии (инвариантность относительно операции сдвига во времени), закон сохранения импульса (инвариантность относительно операции сдвига в пространстве), закон сохранения момента импульса (инвариантность относительно операции поворота). Существовать в природе имеют возможность совсем не любые процессы и движения, а исключительно те, которые не нарушают законы сохранения.