Пространство и время в современной научной картине мира

П

ространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и дли­тельностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответст­вующими учениями о пространстве и времени.

6.1. Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

□ Представление о пространстве и времени в доньютоновский период

Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, одни из философов отри­цали возможность существования пустого пространства, или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач и философ Эмпедокл хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, но в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для пере­мещений и соединений атомов.

В доньютоновский период развитие представлений о простран­стве и времени носило преимущественно стихийный и противоре­чивый характер. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обре­ли строгую математическую форму. В это время зарождаются гео­метрические представления об однородном и бесконечном про­странстве.

Геоцентрическая система Клавдия Птолемея (ок. 90 — ок. 160), изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании вплоть до XVI в. Она представляла собой первую универсальную ма­тематическую модель мира, в которой время понималось бесконеч­ным, а пространство — конечным, включающим равномерное кру­говое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в ге­лиоцентрической системе мира, предложенной польским астрономом Н. Коперником (1473— 1543) в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой систе­мы мира от прежних состояло в том, что в ней концепция единого однородного про­странства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

1л V* Н. Коперник

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существо­вавшие представления о ее уникальности,

«единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым тео­рия Коперника не только изменила существовавшую модель Все­ленной, но и направила движение естественно-научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно (1548—1600) связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В произведении «О бес­конечности, Вселенной и мирах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположению беско­нечного пространства и благодаря возможности и сообразности бы­тия бесчисленных миров, подобных этому...»¹. Представляя Вселен­ную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространст­во», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

Практическое обоснование выводы Д. Бруно получили в «физи­ке неба» И. Кеплера (1571—1630) и небесной механике Г. Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер усмотрел дей­ствие единой физической силы. Он установил универсальную зави­симость между периодами обращения планет и средними расстоя­ниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических ор­битах. Концепция Кеплера способствовала развитию математиче­ского и физического учения о пространстве.

Подлинная революция в механике связана с именем Г. Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и матема­тическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии пред-

ставлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип клас­сической механики — принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равно­мерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математи­ческие преобразования Галилея отражают движение в двух инерци-альных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инва­риантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. В ее основу Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материаль­ных частиц. Взаимодействием элементарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с дру­гом и ввел, таким образом, в физику идею близкодействия.

Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел коор­динатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось в качестве одной из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.

Кроме того, Декарт развил представление о соотношении дли­тельности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же соприсуще человеку и потому явля­ется модулем мышления». «...Время, которое мы отличаем от дли­тельности, — пишет Декарт в "Началах философии", — есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим...»¹.

Таким образом, развитие представлений о пространстве и вре­мени в доньютоновский период способствовало созданию концеп­туальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классиче­ской механики.

□ Ньютоновский период в развитии представлений о пространстве и времени

Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классиче-

¹ Бруно Дж. О бесконечности, Вселенной и мирах. — М.: ОГИЗ, 1936. — С. 68.

¹ Декарт Р. Избранные произведения. — М.: Госполитиздат, 1950. — С. 451.

ской механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

■ Распространив на всю Вселенную закон тя­готения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множе­ство космических объектов — центров гравита­ции. Так, в рамках ньютоновской гравитаци­онной модели Вселенной утверждается пред­ставление о бесконечном пространстве, в koto-^l ром находятся космические объекты, связан­ные между собой силой тяготения.

И. Ньютон

В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», который более чем на два столетия определил разви­тие всей естественно-научной картины мира. В нем были сформу­лированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.

Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характе­ризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения»¹. Он предлагает раз­личать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (ис­тинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыден­ные) и дает им следующую типологическую характеристику.

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

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

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

Относительное пространство есть 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»¹.

Из определений Ньютона следовало, что разграничение им по­нятий абсолютных и относительных пространства и времени связа­но со спецификой теоретического и эмпирического уровней их по­знания. На теоретическом уровне классической механики абсолют­ные пространство и время играли существенную роль во всей при­чинной структуре описания мира. Они выступали в качестве уни­версальной инерциальной системы отсчета, так как законы движе­ния классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространство» и «время» ограничены чувствами и свойст­вами познающей личности, а не объективными признаками реально­сти как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительных времени и пространства.

Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало не­однозначную реакцию со стороны его современников — естество­испытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г.В. Лейб­ниц (1646—1716). Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.

Указывая на чисто относительный (реляционный) характер про­странства и времени, Лейбниц писал: «Считаю пространство так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство — по­рядком сосуществований, а время — порядком последовательностей»².

Предвосхищая положения теории относительности Эйнштейна о неразрывной связи пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться в «отвле­чении» от самих вещей. «Мгновения в отрыве от вещей ничто, — писал он, — и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей»³.

Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция про­странства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и ка­жущаяся ясность) привели к тому, что многие критические сообра­жения в ее адрес обходили молчанием, а ньютоновская концепция

¹ Ньютон И. С. Математические начала натуральной философии // Собрание тру­дов академика А.Н. Крылова. — Т. VII. — М.; Л.: АН СССР, 1936. — С. 32.

¹ Ньютон И.С. Указ. соч. С. 30.

² Лейбниц Г.В. Соч. в 4 т. — Т. 1. — М.: Мысль, 1982. — С. 441.

³ Там же. С. 442.

пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, господствовала вплоть до конца XIX в.

Основные положения этой картины мира, связанные с про­странством и временем, заключаются в следующем.

> Пространство считалось бесконечным, плоским, «прямоли­нейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались гео­метрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел как незави­симая от них инерциальная система.

>Время понималось абсолютным, однородным, равномерно те­кущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объек­тов процесс длительности. Фактически классическая механика сво­дила время к длительности, фиксируя определяющее свойство вре­мени — «показывать продолжительность события»¹. Значение ука­заний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения системы отсчета.

>Абсолютное время и пространство служили основой для пре­образований Галилея — Ньютона, посредством которых осуществ­лялся переход к инерциалъным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

>Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось ос­новой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгно­венно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные рас­стояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного про­странства, существующего независимо от времени.

□ представления о пространстве и времени в XIX в.

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т.е. она рассматривала поведение материальных объектов с конечным чис­лом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изу­чение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существен­ных отличий их свойств по сравнению с механическими свойства­ми тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний между телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, силы зависят от рас-

¹ Аксенов Т.П. О причине времени // Вопросы философии. — 1996. — №1. — С. 43.

стояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела. Распространение же сил происходит не мгновенно, а с конеч­ной скоростью. Как отмечал А. Эйнштейн, с развитием электроди­намики и оптики становилось все очевиднее, что «недостаточно одной классической механики для полного описания явлений при­роды»¹. Из теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существова­нии электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению поня­тия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — «поле», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона»². Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описа­ния физических свойств пространства и времени. Структура элек­тромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля, с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения в рамках существовавшей в конце XIX в. физической картины мира требовал и отрицательный резуль­тат по обнаружению мирового эфира, полученный американским физиком А. Майкельсоном (1852—1931). Его опыт доказал независи­мость скорости света от движения Земли. С точки зрения классиче­ской механики результаты опыта Майкельсона не поддавались объ­яснению. Некоторые физики пытались истолковать их как указы­вающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Зем­лю, в направлении движения под действием возникающих при этом электромагнитных сил.

Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел мате­матические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени ме­жду событиями, происходящими в них, в зависимости от скорости движения.

Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лоренца от­ражаются не реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

¹ Эйнштейн А. Принцип относительности. — Пг.: Научное книгоиздательство,
1922. - С. 14.

² Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. — М.: Молодая гвардия, 1966. —
С. 220.

Таким образом, относительными оказывались и «длина», и «про-межуток времени» между событиями, и даже «одновременность» со­бытий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство и время.