Развитие представлений о пространстве и времени в философии и истории науки

Кроме того, интересно проследить, как происходило абстрагирование реляционных представлений, что привело в дальнейшем к зрелой субстанциальной концепции Ньютона. Плотин в «Эннеадах» обозначил некоторые проблемы пространства-времени – обычно его относят к развивавшим субстанциальные представления о времени, но критика им реляционизма была столь подробной, что кажется, что он предвосхитил возможные продуктивные черты реляционного подхода, когда, в частности, говорил, что время нельзя представлять как все движения взятые совместно. Августин и Плотин, касавшись по сути, проблем реляционного описания времени, относились отрицательно к возможности использовать некий «конструктивный» способ.

Необходимо отметить общую реляционную  концепцию Лейбница, принципы которой он обозначил в полемике с Кларком, отстаивавшим позицию Ньютона. Лейбниц, как известно, подошел к интегро-дифференциальному исчислению с других позиций, чем Ньютон. Однако реляционные представления Лейбница на пространство-время остались без математического выражения. Но прямо или косвенно они оказали воздействие на будущие взгляды Маха, Эйнштейна и Пуанкаре. Из различных философов, поддерживавших подобные воззрения, можно назвать Беркли, предвосхитившего Маха в отрицании ньютонова абсолютного пространства. Полезно упомянуть позицию Барроу (учителя и предшественника Ньютона), понимавшего необходимость принять тогда именно субстанциальную концепцию.

Еще один аспект проблемы времени, который  пытается осветить реляционная концепция  – вопрос о «настоящем». Основные уравнения физики обратимы по отношению к инверсии времени, но они также всегда содержат (пусть инфинитезимальный) интервал времени. Они передают длительность, но момент времени не входит в них как понятие. Без определения «настоящего» («теперь») трудно надеяться передать и формализовать на математическом языке «невозвратимость мгновения», «необратимость времени», что, несомненно, ощущается всеми на уровне «житейского опыта». При этом время описывается одним параметром. Мгновению приписывается одна точка на временной оси, притом она никак не индивидуализирована: в физическом формализме, где важны лишь приращения времени, сдвиг начала отсчета по времени не имеет значения. Поэтому введение некоего темпорального комплекса описания представляется необходимым: темпорология нуждается в фундаментальном приборе – «темпорографе». Такое несколько странное на первый взгляд название означает, что получение только метрических соотношений, задаваемых часами, недостаточно. Необходимо вводить часы с памятью, определяя состояние системы. Заметим, что так понимаемое «настоящее» отличается от аналогичного понятия в известной концепции Бергсона, где «длительность» противопоставлена застывшему времени физики, поскольку физическое время описывает малые интервалы, которые, по сути, одинаковы, т.е. никакого экзистенциального отличия между ними нет. ⁷

Если говорить об естественнонаучной обоснованности этих двух концепций, то в XVII-XIX веках явное преимущество было на стороне субстанциальной концепции; именно она лежала в основе ньютоновской механики, принимавшейся в то время за образец точной науки. В электродинамике в пользу существования абсолютного пространства свидетельствовала гипотеза светоносного эфира, который заполняет абсолютное пространство и является носителем электромагнитных волн. Наконец, сильнейшим свидетельством в пользу субстанциальной концепции пространства был факт единственности эвклидовой геометрии. Хотя еще в 30-х годах XIX в. Лобачевским была открыта неэвклидова геометрия, до открытия общей теории относительности, неэвклидовы геометрии рассматривались как воображаемые математические конструкции, и им не приписывалось реального физического смысла. Единственной геометрией, описывающей реальные свойства физического пространства и времени, считалась геометрия Евклида. А это как бы подтверждало вывод, следовавший из субстанциальной концепции, что свойства пространства и времени неизменны и независимы от характера движения и взаимодействия материальных систем.

3. Пространство и время  в специальной теории относительности  (СТО) и общей теории относительности  (ОТО) А. Эйнштейна

В начале XX в. была создана теория относительности, которая заставила пересмотреть традиционные воззрения на пространство и время и отказаться от субстанциальной  концепции. Теорию относительности  можно рассматривать как концепцию, нацеленную на раскрытие диалектических связей в природе.

Теория относительности включает в себя две генетически связанные  теории: специальную теорию относительности (СТО), основные идеи которой были сформулированы А. Эйнштейном в 1905 г., и общую теорию относительности (ОТО), работу над которой А. Эйнштейн закончил в 1916 г.

Часть исследователей отмечает, что  СТО возникла как результат попыток А. Эйнштейна распространить действие физического принципа относительности, известного еще со времен Галилея, на законы электродинамики, которые рассматривались как противоречащие последнему. Эйнштейн справился с этой задачей, но цена, которую он был вынужден заплатить за обобщение принципа физической относительности и распространение его на все законы физики, заключалась в пересмотре ньютоновских пространственно-временных представлений. СТО показала, что многие пространственно-временные свойства, считавшиеся до сих пор неизменными, абсолютными, фактически являются относительными. Так, в СТО утратили свой абсолютный характер такие пространственно-временные характеристики, как длина, временной интервал, понятие одновременности. Все эти характеристики оказались зависящими от взаимного движения материальных объектов.

Если в СТО принцип относительности  был связан только с инерциальными  системами отсчета, то общая теория относительности явилась результатом  распространения действия принципа относительности и на неинерциальные системы отсчета. Это в свою очередь  привело к установлению тесной зависимости  метрических свойств пространства-времени  от гравитационных взаимодействий между  материальными объектами. В СТО  было установлено, что геометрические свойства пространства-времени зависят  от распределения в них гравитационных масс. Вблизи тяжелых объектов геометрические свойства пространства начинают отклоняться от эвклидовых, а темп течения времени замедляется. ⁸

Специальная теория относительности обнаружила еще один парадокс. При изучении движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, выяснилось, что река времени не так проста, как думали раньше. Эта теория показала, что понятия «сейчас», «позже» и «раньше» имеют простой смысл только для событий, которые происходят недалеко друг от друга. Когда сравниваемые события происходят далеко, то эти понятия однозначны только в том случае, если сигнал, идущий со скоростью света, успел дойти от места одного события до места, где произошло другое. Если это не так, то соотношение «раньше» - «позже» неоднозначно и зависит от состояния движения наблюдателя. То, что было «раньше» для одного наблюдателя, может быть «позже» для другого. Такие события не могут влиять друг на друга, т.е. не могут быть причинно связанными. Это обусловлено тем, что скорость света в пустоте всегда постоянна. Она не зависит от движения наблюдателя и является предельно большой. Ничто в природе не может двигаться быстрее света. Еще более удивительным оказалось то, что течение времени зависит от скорости движения тела, т.е. секунда на движущихся часах становится «длиннее», чем на неподвижных. Время течет тем медленнее, чем быстрее по отношению к наблюдателю движется тело. Этот факт надежно измерен и в опытах с элементарными частицами, и в прямых опытах с часами на летящем самолете. Таким образом, свойства времени только казались неизменными. Релятивистская теория установила неразрывную связь времени с пространством. Изменение временных свойств процессов всегда связаны с изменением пространственных свойств.

Дальнейшее развитие понятие времени получило в общей теории относительности, которая показала, что на темп времени влияет поле тяготения. Чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время по сравнению с его течением вдали от тяготеющих тел, т.е. время зависит от свойств движущейся материи. Наблюдаемое извне время на планете течет тем медленнее, чем она массивнее и плотнее. Этот эффект имеет абсолютный характер. Таким образом, время является локально неоднородным и на его ход можно оказывать влияние. Правда, наблюдаемый эффект обычно мал.

Теперь уже река времени скорее представляется текущей не везде  одинаково и величаво: быстро в сужениях, медленно на плесах, разбитой на множество рукавов и ручейков с разной скоростью течения в зависимости от условий.

Таким образом, теория относительности подтвердила философскую идею, согласно которой время лишено самостоятельной физической реальности и вместе с пространством является лишь необходимым средством наблюдения и познания окружающего мира разумными существами. Таким образом, концепция абсолютного времени как единого потока, равномерно текущего независимо от наблюдателя, была разрушена. Абсолютного времени как оторванной от материи сущности нет, но есть абсолютная скорость любого изменения и даже абсолютный возраст мироздания, рассчитанный учеными. Скорость света сохраняет свое постоянство даже в неоднородном времени. ⁹

Современными учеными считается, что основное философское значение теории относительности состоит в следующем: ¹⁰

• Теория относительности исключила из науки понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, обнаружив тем самым несостоятельность субстанциальной трактовки пространства и времени как самостоятельных, независимых от материи форм бытия.
• Она показала зависимость пространственно-временных свойств от характера движения и взаимодействия материальных систем, подтвердила правильность трактовки пространства и времени как основных форм существования материи, в качестве содержания которых выступает движущаяся материя.
• Теория относительности категорически отвергла субъективистские, априористские трактовки сущности пространства и времени, которые противоречили ее выводам.

Говоря о том, что теория относительности  подтвердила понимание пространства и времени как коренных форм существования  материи, нельзя думать, что теория относительности положила конец  философским спорам об истолковании пространства и времени. Решив одни проблемы, теория относительности поставила  другие. Философские споры вокруг теории относительности возникли сразу  же при ее создании и не утихают по настоящее время.

4. Свойства пространства  и времени

Общие свойства, характеризующие пространство и время, вытекают из их характеристик  как основных, коренных форм существования  материи. К свойствам пространства относятся протяженность, однородность, изотропность, трехмерность. Время  обычно характеризуется такими свойствами, как длительность, однородность, необратимость, одномерность.

Также некоторые авторы в качестве самостоятельных выделяют: биологическое и социальное пространство и время, индивидуальное, психологическое, художественное историческое и т.д.

Так, в биологических системах есть специфические пространственно-временные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутриорганизменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Так же и в обществе есть специфические  пространственные отношения между  его элементами, собственные ритмы  и темпы изменения в различных  сферах общественной жизни, проявляется  ускорение темпов развития с прогрессом науки и техники.

Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше всеобщие свойства пространства и времени. ¹¹

Что касается таких свойств, как  длительность времени и протяженность  пространства, то их трудно называть свойствами, поскольку они совпадают с  самой сущностью пространства и  времени. Ведь протяженность и проявляется  в способности тел существовать одно подле другого, а длительность в способности существовать одно после другого, что и выражает сущность пространства и времени  как форм существования материи.

К наиболее характерным свойствам  пространства относится его трехмерность. Положение любого объекта может  быть определено с помощью трех независимых  величин. Время одномерно, ибо для  фиксации положения события во времени  достаточно одной величины. Под заданием положения события, объекта в  пространстве или времени имеется  в виду определение его координат  по отношению к другим событиям и  объектам. Факт трехмерности реального  физического пространства не противоречит существованию в науке понятия многомерного пространства с любым числом измерений. Понятие многомерного пространства является чисто математическим понятием, которое может быть использовано для описания взаимосвязи различного рода физических величин, характеризующих реальные процессы. Если же речь идет о фиксации события в реальном физическом пространстве, то при использовании любой системы координат трех измерений всегда будет достаточно. И хотя до сих пор вопрос об обосновании трехмерности пространства является открытым вопросом, решение его должно лежать в установлении связи трехмерности с фундаментальными физическими процессами.

К специфическим свойством пространства относятся однородность и изотропность. Однородность пространства означает отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, а изотропность – равноправность всех возможных направлений. В отличие от пространства время обладает только свойством однородности, заключающимся в равноправии всех его моментов. Свойства однородности пространства и времени и изотропности пространства теснейшим образом связаны с фундаментальными физическими законами, и прежде всего с законами сохранения. Они и лежат в основании самого принципа физической относительности.