Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Естественнонаучные представления о пространстве и времени: Учебное пособие

Голосов: 0

В пособии рассматриваются категории пространства и времени и их связь с различными формами движения материи. Особое внимание уделяется взаимодействию пространственно-временных структур с топологией Вселенной, с законами симметрии в природе, с единой теорией поля, с биологической и социальной формой движения материи. Работа может быть рекомендована в качестве учебно-методического пособия для студентов гуманитарных факультетов, изучающих курс "Концепции современного естествознания". Электронная версия пособия размещена на <a href="http://kaf-philos.bsu.edu.ru" target="_blank">сайте кафедры философии БелГУ</a>.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
        Белгородский государственный университет

     Кафедра естественнонаучных дисциплин и
       новых информационных технологий




        Пеньков Виктор Евгеньевич


ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
     О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ


             Учебное пособие по курсу
     «Концепции современного естествознания»
      для студентов гуманитарных факультетов




                 Белгород – 2002


ББК 87.251.1я73                            Печатается по решению РИС
    П 25                                   Белгородского госуниверситета



                                   Рецензенты:

                  доктор философских наук, профессор БелГУ
                               Антонов Е.А.

                  кандидат педагогических наук, доцент БелГУ
                               Ситникова М.И.



   Пеньков В.Е.
     Естественнонаучные представления о пространстве и времени: Учеб.
   пособие. – Белгород: Изд-во БелГУ, 2002. – 40 с.


      В пособии рассматриваются категории пространства и времени и их связь с
  различными формами движения материи. Особое внимание уделяется взаимо-
  действию пространственно-временных структур с топологией Вселенной, с за-
  конами симметрии в природе, с единой теорией поля, с биологической и соци-
  альной формой движения материи.
      Работа может быть рекомендована в качестве учебно-методического посо-
  бия для студентов гуманитарных факультетов, изучающих курс «Концепции
  современного естествознания».




                                                         © Пеньков В.Е., 2002
                                                © Издательство Белгородского
                                          государственного университета, 2002




                                      2


                              ВВЕДЕНИЕ

     Пространство и время представляют собой формы существования
материи. С первых лет жизни человек сталкивается с различными пред-
метами и процессами, научается сравнивать размеры тел, скорости их
перемещения, длительность тех или иных процессов. Таким образом, у
него складываются определенные представления о пространстве и вре-
мени.
     Однако такие чисто интуитивные понятия не могут дать человеку
ответа на вопрос, что же представляют собой данные категории и како-
ва их роль в физических процессах и явлениях. Являются ли простран-
ство и время самостоятельными субстанциями, которые могут сущест-
вовать сами по себе, или же они неразрывно связаны с материей и могут
проявляться только с ней в единстве, могут ли оказывать влияние на ма-
териальные процессы?
     В естествознании по этому вопросу существуют две концепции:
субстанционная и реляционная. Первая из них придерживается подхода
об абсолютных, ни от чего не зависящих пространстве и времени; вто-
рая предполагает связь этих категорий с материей и ее движением –
пространство и время есть формы бытия материи, и без нее существо-
вать не могут.
     Формирование представлений об указанных субстанциях началось
в глубокой древности.
     Представления древних ученых о пространстве были крайне проти-
воречивы и в большинстве случаев построены на интуиции, поскольку
каких-либо научных данных, с помощью которых можно было бы про-
верить правильность тех или иных гипотез, тогда еще не было.
     Первой последовательной, логически завершенной картиной мира,
включающей в себя не только объяснения некоторых фактов, но и пре-
тендующей охватить все бытие в целом, была механическая картина
мира, основы которой заложил И. Ньютон в конце XVII века. В механи-
ке пространство и время рассматривались как абсолютные, независимые
друг от друга и от материи субстанции.
     В начале ХХ века с созданием А. Эйнштейном специальной теории
относительности было признано, что пространство и время являются
взаимозависимыми и не существующими друг без друга. Дальнейшее
развитие идей относительности показало, что наличие и движение ма-

                                  3


териальных объектов могут изменять метрику пространственно-
временной структуры. Таким образом, оказалось, что пространство и
время являются относительными, однако это становится заметным ли-
бо при огромных скоростях, либо в больших гравитационных полях.
     На пороге XXI века стало ясно, что свойства пространства и време-
ни, а также их метрика в какой-то степени определяют структуру мира:
принципы симметрии, законы сохранения, топологию Вселенной и др.
     Поскольку в природе существуют различные формы движения ма-
терии, то и пространственно-временные структуры также должны быть
различными. Причем, определенной форме движения материи соответ-
ствует своя пространственно-временная структура. Так в философию и
естествознание были введены нефизические типы пространства и вре-
мени.
     Обо всем этом мы и поговорим в данной работе.




                                  4


    1. Пространство и время в классической физике


    1.1. Основные представления о пространстве и времени в свете
механической картины мира. В конце XVII века на основе трех зако-
нов динамики и закона Всемирного тяготения сформировалась механи-
ческая картина мира. Основными ее положениями являются .
    1. Мир состоит из атомов, имеющих определенную массу для ка-
ждого элемента.
    2. Любое движение является механическим, его надо рассматривать
в определенной системе отсчета.
    3. Любое движение материи происходит в пространстве и времени,
которые абсолютны и не зависят от свойств и взаимодействия матери-
альных объектов.
    4. Взаимодействие между телами происходит мгновенно, без по-
средника, т.е. осуществляется принцип дальнодействия.
    5. Зная начальные координаты всех тел и силы, действующие на
них, имеется возможность однозначно предсказать дальнейшее пове-
дение этих тел - механический детерминизм.
    Таким образом, пространство и время представляют собой арену,
на которой разворачиваются все материальные процессы, причем само
пространство и время никоим образом нельзя изменить. В «Математи-
ческих началах натуральной философии» (1687 год) И. Ньютон писал,
что пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы
то ни было внешнему, оно всегда остается одинаковым и неподвижным.
Время, по словам И. Ньютона, без всякого отношения к чему-либо
внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью.
    Эти представления, на первый взгляд, очень хорошо согласуются с
экспериментальными данными.
    Математически это выражается в преобразованиях Галилея, кото-
рые постулируют относительность движения и равноправность любой
инерциальной (т.е. движущейся равномерно и прямолинейно) системы
отсчета. Они отражают общие представления о пространстве и времени
классической физики, согласно которым пространство и время абсо-
лютны, не связаны друг с другом и не зависят от наличия и движения
материи.
    Здесь вроде бы все логично и не требует пространного объяснения.
Но внимательный анализ показывает, что уже в самих преобразованиях
Галилея скрыто противоречие.


                                 5


     1.2. Проблемы абсолютного пространства. Понятие эфира. Вду-
маемся еще раз в суть преобразований Галилея. Они подчеркивают аб-
солютность пространства и времени и в то же время утверждают, что
скорость тел относительна, то есть зависит от выбора системы отсчета.
Причем этот выбор произволен, так как из преобразований следует, что
все инерциальные системы равноправны и все механические явления
происходят в них одинаково.
     Но если пространство абсолютно, то должна существовать выде-
ленная система отсчета, покоящаяся относительно этого пространства.
А это противоречит преобразованиям Галилея. Получается замкнутый
круг: если предположить, что пространство абсолютно, мы приходим к
выводу, что не может быть равноправности инерциальных систем от-
счета. Если же предположить равноправность инерциальных систем от-
счета, мы приходим к невозможности абсолютного пространства. А оба
эти положения следуют из преобразований Галилея.
     Кроме того, в механической картине мира оставался открытым во-
прос о причине взаимодействия тел. Принцип дальнодействия не
вскрывал механизма, с помощью которого тела воздействуют друг на
друга.
     С развитием науки появились новые данные, которые не укладыва-
лись в механику Ньютона и по-новому объясняли взаимодействие уда-
ленных друг от друга объектов. На смену принципу дальнодействия
пришел принцип близкодействия: тело создает в окружающем его про-
странстве некоторое напряжение, которое в виде волн передается от
точки к точке и, в конечном итоге, воздействует на другое тело. То есть,
пространство выступает в роли посредника при передаче информации
от одного тела к другому. Но само пространство по-прежнему остается
неизменным и лишь служит для передачи возмущения. Причем – и это
очень важно – возмущение передается со строго определенной скоро-
стью, со скоростью света в вакууме.
     Но физики считали, что волны не могут распространяться в пусто-
те, поэтому выдвинули гипотезу, что пространство должно быть запол-
нено какой-либо средой. Так на арену физики вышел эфир, играющий
роль посредника при взаимодействии тел и в то же время - роль абсо-
лютной системы отсчета, т. е. абсолютного пространства, по отноше-
нию к которому можно определить абсолютную скорость тел.
     Эфир должен был обладать поистине удивительными свойствами.
С открытием поперечности электромагнитных волн пришли к выводу,
что такая среда должна быть твердой, потому что поперечные волны
распространяются только в твердых телах. При этом эфир должен быть


                                   6


легко проницаем для материальных объектов, поскольку их движение
никак не замедляется, что показывают опытные данные.
    Было предложено несколько вариантов поведения эфира: он не ув-
лекается движущимися телами, увлекается частично, увлекается полно-
стью. Если предположить, что эфир может двигаться вслед за матери-
альными объектами, то идея абсолютности пространства терпит пора-
жение, ибо тогда состояние пространства будет зависеть от движения
материи. Если же предположить, что эфир неподвижен, то, найдя раз-
ность между скоростью света в эфире и скоростью света в данной сис-
теме отсчета, мы могли бы определить скорость движения этой системы
относительно эфира, то есть ее абсолютную скорость в абсолютном
пространстве.
    Для предпочтения того или иного варианта поведения эфира требо-
вался специальный эксперимент.

    1.3. Опыт Майкельсона и его результаты. В 1887 году экспери-
мент по определению абсолютной скорости Земли был поставлен аме-
риканскими учеными А.А. Майкельсоном (1852-1931). Суть опыта со-
стояла в следующем. Поскольку Земля движется по своей орбите с дос-
таточно большой скоростью, а эфир покоится в “абсолютном простран-
стве”, то движение Земли должно вызывать заметный “эфирный ветер”,
который можно было бы обнаружить с помощью тонких оптических
приборов”. “Эфирный ветер” должен был проявляться в различии ско-
рости света по разным направлениям наподобие того, как звук по ветру
распространяется быстрее, чем против ветра.
    Не описывая экспериментальную установку и физические тонкости
данного опыта, приведем конечный результат. После долгих тщатель-
ных поисков и все более возрастающей точности эксперимента ученые
пришли к однозначному, но неутешительному для них выводу: “эфир-
ного ветра” не существует.
    Это был удар по всей системе представлений об абсолютном про-
странстве и времени.
    В 1892 году датский физик-теоретик Лоренц получил преобразова-
ния пространственно-временных координат, отличные от преобразова-
ний Галилея, которые полностью соответствовали результатам опыта
Майкельсона. Из этих преобразований следовало, что длина тела
уменьшается в направлении его движения, и время в системе отсчета,
связанной с движущимся телом, течет по-иному. Но природа этих фак-
тов оставалась невыясненной.



                                 7


    Для объяснения таких парадоксальных явлений было выдвинуто
несколько концепций. Среди них отметим динамическую и субъективи-
стскую.
    Согласно динамической концепции, длина тела изменяется абсо-
лютно, т. е. не связана с изменением свойств самого пространства. “При
движении через эфир в результате взаимодействия составляющих тело
электронов с эфиром возникают электрические силы, которые и вызы-
вают сокращение. Сокращение носит абсолютный характер и вместе с
тем принципиально ненаблюдаемо. Оно ни в чем себя не обнаруживает,
кроме опыта Майкельсона, для объяснения которого и было специ-
ально придумано”.1
    Субъективистская концепция объясняла сокращение длины и изме-
нение хода времени кажущимися эффектами, связанными с наблюдате-
лем: длина тела остается неизменной, но наблюдателю в силу каких-
либо причин кажется, что она изменилась. Данная концепция в еще
меньшей степени, чем динамическая, претендовала на научность.




    1
        Философия естествознания. – М., Политиздат, 1966. – С.165.
                                            8


 2. Пространство-время в специальной теории относительности

     2.1. Необходимость пересмотра представлений о пространстве и
времени. Как следует из вышесказанного, все попытки сохранить пред-
ставление об абсолютности пространства и времени и объяснить отри-
цательный результат опыта Майкельсона терпели неудачу. Любая кон-
цепция не давала ничего нового по сравнению с прежними представле-
ниями и поэтому казалась надуманной, “притянутой за уши” только для
того, чтобы спасти представление об эфире. Требовался неординарный
революционный подход к объяснению отсутствия “эфирного ветра”.
     Ни у кого не вызывает сомнения, что скорость тела различна в раз-
личных системах отсчета. Бессмыслен, например, вопрос: “Тело дви-
жется или покоится?” - если не указано, относительно чего рассматри-
вается движение. Так почему бы не предположить, что длина не есть
характеристика тела самого по себе, как считала классическая физика,
она выражает отношение тела к системе отсчета и имеет смысл лишь в
связи с той или иной системой отсчета. Временной промежуток не есть
свойство событий само по себе, а опять-таки выражает их отношение к
системе отсчета и только в ней имеет смысл. Причем, эта зависимость
становится сколь-нибудь заметной лишь при околосветных скоростях, и
поэтому нам так трудно освободиться от иллюзий абсолютной длины и
абсолютного времени. В 1905 году Альберт Эйнштейн смог преодолеть
стереотип мышления, в результате чего идея абсолютности пространст-
ва и времени ушла в историю науки.

    2.2. Относительность пространства и времени. Из опыта Май-
кельсона следовал еще один удивительный факт. Отсутствие “эфирного
ветра” тождественно по своей сути независимости скорости света от
системы отсчета. Другими словами: скорость света постоянна в любой
системе отсчета. Более того, на данный момент скорость света - единст-
венная физическая константа, которая теоретически определяется через
другие постоянные, определяющие свойства пространства.

                                   1
                       c =                                         (1)
                               ε   o   μ   ο


где с - скорость света; εо - диэлектрическая проницаемость вакуума;
μо - магнитная проницаемость вакуума.
    Причем эта зависимость получается из уравнений Максвелла без
учета какой-либо системы отсчета. Это можно рассматривать как теоре-

                                       9


тическое доказательство постоянства скорости света. Преобразования
Лоренца, в отличие от преобразований Галилея, удовлетворяют этому
условию. Если придерживаться двух вышеупомянутых концепций, то
постоянство скорости света есть кажущееся явление: в первом случае
создается такая иллюзия потому, что изменяется абсолютная длина тел,
во втором - связана с субъективностью наблюдателя. Если же предполо-
жить, что это действительный факт, что и сделал Эйнштейн в своей тео-
рии, постулировав неизменность скорости света, то мы с неизбежно-
стью приходим к относительности пространства и времени.

     2.3. Сокращение длины и замедление времени. Рассмотрим про-
зрачный лифт, движущийся вверх с околосветовой скоростью. Предпо-
ложим, что на его потолке загорается лампочка, свет от которой идет к
полу. Наблюдатель, находящийся внутри лифта, увидит, что свет про-
ходит длину лифта за определенное время. Внешний наблюдатель заме-
тит, что путь, который проходит свет внутри лифта, будет короче, ибо
пол лифта движется сам навстречу лучу. А поскольку скорость света
есть величина постоянная, то приходим к выводу, что для внешнего на-
блюдателя лифт в направлении движения уменьшился в размерах и вре-
мя, необходимое для преодоления светом расстояния от потолка до по-
ла, уменьшилось. А это тождественно замедлению времени для наблю-
дателя внутри лифта.
     В данных рассуждениях под выражениями “наблюдатель внутри
лифта” и “внешний наблюдатель” (используемых для наглядности) надо
понимать различные системы отсчета, в противном случае мы опять
вернемся к субъективистской концепции.
     Таким образом, мы видим, что длина тел и промежутки времени
есть величины относительные, а это и означает относительность про-
странства и времени.

    2.4. Относительность одновременности. Можно привести еще
один пример, показывающий, что время относительно и зависит от
движения самой системы отсчета. Предположим, что лампочка в выше-
упомянутом лифте расположена точно посередине, на полу и на потолке
есть еще по одной лампочке, которые загораются в тот момент, когда до
них дойдет свет от средней лампочки.
    Для наблюдателя внутри лифта верхняя и нижняя лампочки заго-
рятся одновременно, так как скорость света одинакова по всем направ-
лениям и свету необходимо пройти одинаковое расстояние. Для внеш-
него наблюдателя верхняя лампочка будет “убегать” от света, а нижняя


                                 10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика