Согласно реляционной концепции – пространство и время не существуют независимо от вещества

Первая концепция идет от древних атомистов – Демокрита и Эпикура, которые ввели понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное. В период Возрождения Бруно выступил с идеей бесконечного пространства. Он критиковал представления о конечности Вселенной, берущее свое начало в воззрениях Аристотеля. Что представляет собой пустота, спрашивает он, которая, находящаяся по ту сторону ограничивающего мир эфира? Ведь всегда и везде, где бы ни проводили границу, должно быть за нею опять пространство.

В Новое время эту концепцию развил Ньютон. В обосновании классической механики большую роль играли введенные Ньютоном понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство – это чистое и неподвижное вместилище тел; абсолютное время – чистая длительность, абсолютная равномерность событий. Ньютон считал, что вполне возможно допустить существование мира, в котором есть только одно абсолютное пространство и нет ни материи, ни абсолютного времени; либо же существование мира, в котором есть пространство и время, но нет материи; либо же существование мира, в котором есть только время, но нет ни пространства, ни материи.

Таким образом, по мнению Ньютона, абсолютное пространство и абсолютное время – это реальные физические характеристики мира, но они не даны непосредственно органам чувств, и их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции.

Концепция пространства и времени, разработанная Ньютоном, была господствующей в естествознании на протяжении XVII-XIX вв., так как она опиралась на науку того времени – евклидову геометрию и классическую механику. Знаменитый опыт Майкельсона, ставящей своей целью обнаружить неподвижный эфир как абсолютную систему отсчета, методологически основывался на ньютонианских представлениях.

Противоположная, реляционная концепция пространства и времени рассматривает пространство и время как свойства материальных объектов. Такой взгляд на пространство и время в античности был сформулирован Аристотелем. Пространство, по Аристотелю, есть совокупность мест тел, а время – «число движений». Большой вклад в осознание проблемы времени внес средневековый теолог Августин. Размышляя об отношении времени к бытию и о начале времени, Августин задался следующим вопросом: если бог сотворил мир в определенное время, то что он делал до момента творения и почему не сотворил мир раньше? Отвечая на вопрос, Августин говорил, что время является чем-то существующим только вместе с миром. Время есть характеристика изменений, происходящих в вещах. Поэтому если бы вещей, то не было бы и времени. Вечность же бога исключают его из времени, и говорить в отношении него о «до» и «после» бессмысленно.

В Новое время идеи относительности времени развивал Лейбниц. Особенность лейбницевой концепции пространства и времени состоит в том, что в ней отвергается представление о пространстве и времени как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от нее. По Лейбницу, пространство – это порядок взаимного расположения множества индивидуальных тел, существующих независимо друг друга, время – порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел.

 

Развитие представлений о свойствах пространстве и времени в математике и физике в XIX-XX вв.

	Рис.2.14.

 

Проблема геометрических свойств пространства – особая проблема, объединяющая физику и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами евклидового пространства. Для многих это была само собой разумеющаяся истина. «Здравый смысл» был философски воплощен Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменные априорные «формы чувственного сознания». Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, являются единственно мыслимыми.

Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был поставлен в связи с открытием неевклидовой геометрии. В начале XIX в. Гаусс высказал мысль, что представления о свойствах пространства не являются априорными, а имеют опытное происхождение. Риман описал искривленное пространство, в котором нет прямых линий, а свойства геометрических фигур другие, чем на плоскости. Прямая заменена здесь линиями, которые являются кратчайшими расстояниями между точками. Например, хотя в рамках евклидовой геометрии сумма углов треугольника равна 180°, но вполне мыслима ситуация, в которой сумма углов этой фигуры может отличаться от 180°. Чтобы в этом убедиться, достаточно представить треугольник на поверхности сферы, все углы которого прямые.

 

Проблема необратимости времени

	Рис.2.15.

Существование однонаправленных, т.е. необратимых процессов в мире не вызывает сомнения. К ним относится установление равновесной температуры при тепловом контакте горячих и холодных тел, перемешивание первоначально разделенных газов в результате диффузии и многое другое. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, сводящей тепловые макроскопические процессы к механическим взаимодействиям на микроскопическом уровне, возникновение необратимости достаточно неожиданно, поскольку механические явления обратимы во времени. В частности, это, например, означает, что заснятые при большом увеличении на кинопленку столкновение и разлет двух молекул будут выглядеть на экране вполне правдоподобно, независимо от того, в каком направлении «прокручивается кино». Если же на пленку снят процесс диффузии газов так, что движение отдельных молекул неразличимо, а система наблюдается в целом как макроскопическая, выбор правильного направления движения пленки не вызовет сомнения.

Проблема понимания механизма возникновения необратимости имеет большое значение. Наличие необратимых процессов определяет направленность течения времени. В мире, где существуют только обратимые процессы, по-видимому, было бы невозможно отличить прошлое от будущего.

Механизм возникновения необратимости легко понять на примере расчета интуитивно весьма маловероятного явления: образования вакуума в одной половине комнаты вследствие случайного перемещения всех хаотически движущихся молекул в другую половину. Очевидно, что вероятность нахождения одной молекулы в выбранной половине объема равна 0, 5. Если движения молекул независимы, то вероятность всем N молекулам оказаться в этой половине равна произведению вероятностей для каждой молекулы. Таким образом, полный вакуум в половине комнаты возникает с вероятностью P = (0, 5)^N. О том насколько мала это вероятность, можно говорить, сравнив ее с вероятностью повседневно наблюдаемого явления – равномерного распределения газа в двух половинах комнаты.

Приведенный пример позволяет сформулировать общий механизм возникновения необратимых макроскопических процессов.

Различные макроскопические состояния могут реализовываться различным числом отличающихся друг от друга микроскопических, переход между которыми не приводит к новым макросостояниям. Наиболее вероятными являются те макроскопические состояния, которым соответствует наибольшее число микроскопических.

Основные положения специальной и общей теории относительности

В классической физике полагали, что можно говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. В рамках специальной теории относительности Эйнштейн показал, что понятия одновременности событий, длительности временного промежутка и длины отрезка в действительности не носят абсолютный характер, а зависят от выбранной системы отсчета, из которой ведется наблюдение.

Предсказываемый релятивистской теорией эффект замедления времени состоит в том, что с точки зрения наблюдателя, движущегося относительно рассматриваемой системы, все интервалы времени, характеризующие процессы в этой системе, увеличиваются по сравнению с интервалами, наблюдаемыми в самой системе. Для находящегося в самой рассматриваемой системе наблюдателей происходящие в ней процессы протекают совершенно нормально. Время «течет замедленно» только с точки зрения движущегося наблюдателя.

Эффект сокращения расстояний состоит в уменьшении длин отрезков с точки зрения наблюдателя, перемещающегося вдоль этих отрезков. Отрезки, ориентированные перпендикулярно скорости относительного движения, сохраняют свою длину неизменной.

Описанные эффекты проявляются при скоростях, сравнимых со скоростью света, и в настоящее время экспериментально зарегистрированы в пучках ультрарелятивистских частиц, создаваемых на современных ускорителях. Например, короткоживущие частицы, двигаясь с околосветовой скоростью, вопреки классическим представлениям достигают приемника, удаленного на расстояние, значительно превышающего время их жизни. С точки зрения неподвижного наблюдателя это явление можно объяснить эффектом замедления времени, «удлиняющего» жизнь частицы, с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с частицей, - эффектом сокращения расстояния до мишени, «летящей навстречу».

Описанные релятивистские эффекты – относительность длительности и расстояния – зачастую подвергаются ошибочным толкованиям. Например, говорят, что движущийся предмет сокращается, и даже ставят вопрос об исследовании молекулярных сил, вызывающих такое сокращение. В действительности речь идет о другом. А именно: не существует абсолютной системы отсчета и как следствие оценка размеров объектов и временных процессов зависит от того, с точки зрения какой системе отсчета – движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта – проводятся измерения.

Согласно общей теории относительности, пространственные и временные характеристики определяются гравитационным полем, которое создается вещественными образованиями. Пространство не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точки и определяется полем тяготения, т.е. геометрия пространства не евклидова, а риманова.