Развитие взглядов на пространство и время в истории науки

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

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 К. Птолемея, изложенная им в труде господствовала в естествознании до XVI в. Она представляла собой первую универсальную математическую мо­дель мира, в которой время было 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, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних тео­рий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела эмпирический базис. 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 естественно­научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Д. Бруно связала воедино беско­нечность Вселенной и пространства. 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 Бруно получили в «физике неба» И. Кеплера и в небесной механике Г. Галилея. Кеплер 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 представлений 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. Он устанавливает 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 основу ее 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. Агентом, передающим взаимодействия от тела к телу, он считал частички эфира. Эфир трактуется Декартом как тончайшая жидкость безграничной протяженности, суще­ствующий повсюду, — как в порах тел, так и вне их, как подвижный, текучий, непрерывный.

Декарт ввел координатную систему, в которой время представлялось как одна 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. Декарт развил также представление о соотношении длительно­сти и времени.

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.

В классической механике И. Ньютона 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. В 1687 г. вышел основополагающий труд 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 понятий пространства, времени, места и движения.

Ньютон 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: 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.

С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г. В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование про­странства и времени как абсолютных сущностей. 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. Однако данные представления Лейбница не оказали замет­ного влияния на развитие физики.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютонов­ская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей 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. Значение указаний времени в классиче­ской механике считалось абсолютным, не зависящим от со­стояния движения тела отсчета.

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.

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т.е. она рассматривала поведение материальных объектов. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механи­ческими свойствами тел. Связано это было в том числе с исследованием природы света.

Х. Гюйгенс придерживался волновой концепции света, согласно которой свет — это волна, распространяющаяся в упругой механической среде, которая есть светоносный эфир. Наряду со светоносным эфиром, для объяснения электрических свойств тел Б. Франклином вводится понятие электрического эфира, а Ф. Эпинусом — понятие о магнитной жидкости.

Возник вопрос: неподвижен ли сам эфир или же он движется? Если он движется, то увлекается ли движущи­мися телами? Исследования различных ученых привели к трем кон­цепциям природы эфира. Первая из них определяла эфир как непод вижную среду, не увлекающуюся движущимися телами. Вторая гласила о полном увлечении эфира движущими­ся телами, вследствие чего различные слои эфира должны иметь различные скорости. И, наконец, третья точка зре­ния, высказанная О.Френелем, говорила о частичном увлечении эфи­ра движущимися телами.

Проблемная ситуация в физи­ческой теории тотчас же стимулировала постановку экспе­риментов, в ряду наиболее блистательных из которых являются опыт Л. Физо и опыт А. Майкельсона. Однако пробле­ма казалась неразрешимой, ибо результаты опытов Физо свидетельствовали о частичном увлечении эфира, резуль­таты опытов Майкельсона — о полном увлечении эфира, явление же аберрации света указывает на то, что если эфир существует, то он неподвижен. Все точки зрения, ба­зирующиеся на динамических теориях эфира, оказались несостоятельными.

Хотя гипотеза эфира была устранена наукой XX века, она оставила несомненно важный след в формировании физических понятий. Ведь принятие эфира — это, по су­ществу, принятие точки зрения близкодействия — переда­чи взаимодействия от одной точки эфира к другой, что привело в исследованиях М. Фарадея и Дж.Максвелла к выработ­ке понятия поля.

Фарадей считает, электрическое действие передается на рассто­янии, однако не на основе ньютоновского взаимодействия, а посредством силовых линий, которые соединяют друг с другом частицы. Новый взгляд Фарадея наполнил пу­стое пространство Ньютона непрерывной совокупностью материальных субстанций — силовым полем. У Максвелла мы находим конста­тацию существования поля как реальности и одновремен­но признание им материальной среды — эфира. Иными словами, поле он рассматривает как возбужденное состоя­ние эфира. В дальнейшем поле как реальность наделяется теми же характеристиками, что и вещество — энергией, массой, импульсом. К началу XX века физика изучает материю в двух ее проявлениях — вещество и поле.

Струк­тура электромагнитного поля резюмируется в семи уравнениях Максвелла. Эти уравнения отличаются от уравнений механики. Уравнения механики применимы к областям пустого пространства, в которых присутствуют частицы. Уравнения же Максвелла применимы для всего простран­ства, независимо от того, присутствует там вещество (в том числе, заряженные тела), иными словами, позволяют про­следить изменения поля во времени в любой точке про­странства, то есть получить уравнение электромагнитной волны. Уравнения Максвелла позволяют описывать все известные электрические и магнитные явления. Исходя из своих уравнений, после ряда преобра­зований Максвелл устанавливает, что электромагнитные волны распространяются с той же скоростью, что и свет, и приходит к выводу о том, что свет — это электромагнит­ная волна, что было позднее, уже после смерти Максвелла, экспериментально подтверждено Г. Герцем. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля.

Новое понимание пространства и времени мы находим в специальной теории относительности А. Эйнштейна. В ней понятия «длина», «промежуток времени» между событиями и даже «одновременность» событий оказались не абсолютными, а относительными.