Свойства пространства и времени с точки зрения науки

Введение

     Важнейшей задачей современного  естествознания является создание  естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает  вопрос о происхождении и изменении  различных материальных продуктов  и явлений, об их количественных, качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины  непосредственно связаны с изменением  длин и длительностей, т.е. пространственно-временных  характеристик объектов. Выделение  и фиксация во времени части  пространства дает состояние  объекта. Упорядоченная последовательность  состояний объекта составляет  процесс его развития (жизни, существования)  во времени. Прошло более 2500 лет с той поры, как было  положено начало осмыслению времени  и пространства, тем не менее,  и интерес к проблеме и споры  философов, физиков и представителей  других наук вокруг определения  природы пространства и времени  нисколько не снижаются. Значительный  интерес к проблеме пространства  и времени естественен и закономерен,  влияния данных факторов на  все аспекты деятельности человека  нельзя переоценить. Понятие пространства-времени  является важнейшим и самым  загадочным свойством природы  или, по крайней мере, человеческой  природы. 

 Человек  желает раскрыть истинный смысл  и природу вещей и явлений,  его окружающих. Если с объяснением  материальных объектов дело обстоит  более менее неплохо, то с пространством и временем вопрос темный. Вероятно, причина состоит в том, что большинство материальных объектов человек может «повертеть в руках», рассмотреть их, поэкспериментировать с ними, и, поразмыслив, составить представление об их природе. Ставить опыты со временем и пространством человечество еще не научилось, и на долю ученых остается  лишь их мысленное созерцание. Понятно, что при этом трудно рассчитывать на глубокое и правильное понимание этого вопроса.

Нам остается только, проанализировав взгляды  современных ученых на категории  пространства и времени, осветить основные направления развития научных знаний в этой области и  последние достижения науки в деле изучения данной проблемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Сущностные характеристики пространства  и времени

с точки зрения современной науки 

     Исследования характеристик пространства  и времени целесообразно начать  с их определения.

Понятие пространства опирается на понятие  протяженности. Протяженность объекта  выражает его структурность, взаимоотношение  его частей. Обнаруживается протяженность  благодаря конечности скорости распространения  взаимодействий – для «движения» с бесконечной скоростью любые  расстояния одинаковы, а именно точечны. Протяженность, следовательно, обусловлена системной природой материи, выражая ее многокачественность и многокомпонентность.

Понятие времени базируется на понятии длительности. Длительность выражает несотворимость и неуничтожимость системно организованной материи, последовательное пребывание материальных объектов и явлений в определенных состояниях.

Опираясь  на сказанное, можно дать следующие  определения:

- пространство  – это отношения взаимоположения  объектов, сосуществующих в некоторый  момент времени (при измерении  пространственных размеров, обратим  внимание, измеряемый объект совмещается  с эталоном);

- время  – это отношения последовательности  объектов, сосуществующих в некоторой  точке пространства (сравнение временных  параметров разноместных событий,  обратим внимание, требует синхронизации  часов, что связано с комплексов  не столь уж тривиальных допущений  и процедур).

Выделим два следствия из определений  пространства и времени.

Во-первых, пространство и время объективны.

Во-вторых, пространство и время неразрывно связаны друг с другом  и с  движением материи. Более того, пространство и время – это стороны движения. В самом деле: поскольку пространство – это отношения 

сосуществующих  в некоторый момент времени объектов, постольку оно есть то, что остается от движения, когда мы отвлекаемся  от времени; поскольку время –  это отношения объектов, сосуществующих в некоторой точке пространства, постольку оно есть то, что остается от движения, когда мы

отвлекаемся от пространства. Таким образом, пространство и время не существуют вне движения материи, как и оно – вне  пространства и времени.

Данный  подход к определению пространства и времени именуется реляционным. Сторонники этой концепции понимают пространство и время не как самостоятельные сущности, а как системы отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами. Вне этой системы взаимодействий пространство и время считаются несуществующими. В этой концепции пространство и время выступают как общие формы координации материальных объектов и их состояний. Соответственно допускается и зависимость свойств пространства и времени от характера взаимодействия материальных систем.

Но данный подход был не единственным. Согласно широко ранее распространенной субстанциальной  концепции пространство и время  трактуются как самостоятельные  сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее. Соответственно отношение между пространством, временем и материей представлялось как отношение между двумя  видами самостоятельных субстанций. Это вело к выводу о независимости  свойств пространства и времени от характера протекающих в них материальных процессов.

В начале 20-го века была создана теория относительности, которая заставила отказаться от субстанциальной концепции. Специальная  теория относительности А.Эйнштейна  показала, что многие пространственно-временные  свойства, считавшиеся до сих пор  неизменными, абсолютными, фактически являются релятивными. Так, в СТО  утратили свой абсолютный

характер  такие пространственно-временные  характеристики, как длина, временной  интервал, понятие одновременности. Все эти характеристики оказываются  зависящими от взаимного движения материальных объектов. Общая теория относительности (1916г.) дала новые подтверждения 

правильности  реляционной концепции пространства и времени, показав зависимость  пространственно-временных свойств  от характера движения и взаимодействия материальных систем и подтвердив правильность трактовки пространства и времени  как основных форм существования  материи, в качестве содержания которых  выступает движущаяся  материя. Сам  Эйнштейн, отвечая на заданный ему  вопрос о теории относительности, сказал: «Суть такова: раньше считали, что  если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности, вместе с вещами исчезли бы пространство и время».

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах  и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые и неразрывно связаны и

с другими  ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.

Из всеобщих свойств пространства и времени  следует, прежде всего отметить:

1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания других разумных существ в мире (если такие есть).
2. Их абсолютность – они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.
3. Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.
4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.
5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.

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

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 реальной физическом пространстве, то при

использовании любой системы координат трех измерений всегда будет достаточно. И хотя до сих пор вопрос об обоснованности трехмерности пространства является открытым вопросом, решение его должно лежать в

установлении связи трехмерности с фундаментальными физическими процессами.

К специфическим  свойствам 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.

Характерным специфическим свойством времени  является его необратимость, которая  проявляется в невозможности  возврата в прошлое. Время течет  от прошлого через настоящее к  будущему, и обратное его течение  невозможно. Прошлое порождает настоящее  и будущее, переходит в них. К  прошлому относятся только те события, которые уже осуществились, и  превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникают из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимоотношению между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном существовании объектов.

Отсюда  следует, что время составляет как  бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что  необратимость времени и 

его направленность определяются причинной связью, та как причина всегда предшествует следствию. Однако очевидно, что понятие  предшествования уже предполагает время. Прав поэтому Г.Рейхенбах, который пишет: «Не только временной порядок, но и объединенный пространственно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры вселенной».  [ 1, с.292]

Одномерность  времени проявляется в линейной, генетически связанной между  собой, системе измерений. Если для  положения тела в пространстве

необходимо  задать три координаты, то для определения  времени достаточно одной. Если бы время  имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что  параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные  с ним миры – двойники, в которых  те же самые события разворачивались  бы в одинаковой последовательности.

Однородность  времени означает, что во времени  все точки  равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую  можно принять за начальную.

Указанные свойства пространства и времени  связаны с главными законами физики - законами сохранения. Если свойства системы  не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон  сохранения. Это – одно из существенных выражений симметрии в мире. Симметрии  относительно сдвига времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного  сдвига (однородности пространства) –  закон сохранения импульса; симметрии  по отношению поворота координатных осей (изотропности пространства) – закон сохранения момента импульса, или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-