Историческое развитие представлений о пространстве и времени

Элементы учения о времени и пространстве выделяются уже в античной натурфилософии. Суть проблемы в ее античном понимании сводится к взаимно противоположным утверждениям:

1. Существует пустое пространство само по себе (небытие)

2. Небытия нет, т.е. пространство неразрывно связано с составляющими его телами, оно, по сути, и есть сумма этих тел.

Большинством античных мыслителей пространство понималось как конечное, как видимый космос. Время же, напротив, было бесконечной длительностью. Анализируя Аристотелевы взгляды на пространство и время французский историк и философ науки А. Койре писал: «Согласно концепции Аристотеля, бог не потому не может придать миру прямолинейное движение, что результатом явилось бы возникновение пустоты, но по гораздо более простой причине, а именно потому что сама идея такого движения абсолютно непостигаема: всякое (местное) движение чего-либо движимого предполагает «место», из которого оно отправляется, и «место», куда прибывает; но все «места» находятся внутри мира, в то время как сам мир не находится в каком-либо «месте». Следовательно, вне мира нет никакого «места», куда мир мог бы быть передвинутым; вне мира нет ни полного, ни пустого (nес plenum, nес vacuum) — нет абсолютно ничего. Физическое пространство является ограниченным и конечным пространством — и тем самым противостоит геометрическому, евклидову пространству.

Во всех инерциальных системах движение тел, определенное по крайней мере в одной из них, будет аналогичным. Для трехмерного пространства, положение тела в котором однозначно задается тремя последовательными числами (координатами - расстояниями от начала координат до проекций данной точки на оси координат) переход от одной системы координат к другой выразится математическими уравнениями, получившими название преобразований Галилея. Пусть X, Y, Z система координат, а x, y, z - координаты тела в этой системе.

Если положить для простоты, что направления инерциального движения двух систем отсчета совпадают с осью абсцисс первой координатной системы, то для описания движения справедливы следующие уравнения:

x` = x - vt

y` = y

z` = z

t` = t где х΄, у΄, z΄ - координаты в движущейся относительно XYZ системе X΄ Y΄ Z΄

Эти уравнения называют преобразованиями Галилея.

Замечательно то, что при любых возможных инерциальных системах отсчета разность координат в одной из них - расстояние (пространственный или временной интервал) остается постоянной во всех.

Принцип относительности был впервые установлен Г.Галилеем, но как один из основополагающих принципов классической науки - механики - он был понят и сформулирован И.Ньютоном.

Принцип относительности обозначает, что у наблюдателя нет возможности воспринять, представить и описать движение тела, не отнеся его к какой-либо системе отсчета (другому телу), или ее математической замене - системе координат. Поскольку выбор системы координат может быть произволен, то сущность принципа относительности заключается в том, что описание процесса движения независимо от выбранной системы отсчета, если последняя - инерциальная система отсчета. Принцип относительности в классической механике означает, таким образом, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом, а математическая форма их выражения – тождественна. Принцип относительности утверждает неизменность пространственных (длины) и временных (время, скорость) характеристик.

Принцип относительности Галилея и основанные на нем представления о сущности пространства и времени получили детальную концептуальную обработку в классической механике.

В механистической картине мира и соответственно в классической науке пространство и время рассматривались как независимо существующие в известном смысле изначальные феномены.

Пространство понималось как вместилище всех возможных физических тел, свойства которого никак не связаны с этими телами. Это пространство классической физики трехмерно, однородно и изотропно и континуально. Такое пространство представлено в ньютоновых " Математических началах натуральной философии", поэтому его вполне справедливо называют Ньютоновым пространством.

Равноправие точек, отсутствие привилегированных точек называется однородностью пространства. Независимость структуры системы от поворотов координатных осей свидетельствует о другом свойстве пространства: о равноправии направлений, отсутствии привилегированных направлений. Это свойство пространства называется его изотропностью. Континуальность пространства обозначает его непрерывность, отсутствие в нем разрывов и неопределенных точек.

Время понималось как параметр, описывающий движение тела, т.е. изменение его пространственного положения. Свойства времени не связывались со свойствами движущегося тела, а понимались как изначальные и независимые. Поскольку время представало лишь как параметр физического описания, знак с которым этот параметр входил в уравнения движения, в принципе безразличен[17]. Таким образом, в классической физике время рассматривалось как обратимое, что является достаточно сильной идеализацией.

Понятые таким образом пространство и время, выступают как абсолютные. Абсолютность пространства и времени обозначает их фактическую независимость от протекающих в них процессов и друг от друга, а потому- одинаковость для всех систем отсчета.

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 и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Фактически у И.Ньютона речь идет о трех независимых составляющих мира – пространстве, времени и материи. Пространство и время отличаются от материи тем, что не производят никаких действий. Ньютон предполагал, что возможен мир из одного только пространства, без времени и материи. Возможен мир из времени без материи и пространства.

Абсолютные пространство и время ненаблюдаемы эмпирически, поскольку эмпирически мы можем наблюдать лишь ту или иную часть пространства, которая возможно охвачена движением. Мы не воспринимаем абсолютного математического времени. Абсолютные пространство и время открываются лишь абстрагирующему уму, который пытается найти математическую формулу, раскрывающую устройство мира.

Основные положения механистической картины мира относительно пространства и времени можно резюмировать следующим образом:

- Пространство - бесконечно, " евклидово" по всем направлениям, абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) представляет собой вместилище всех материальных тел и абсолютную инерциальную систему отсчета.

- Время - абсолютно, однородно, равномерно. Во всей Вселенной оно одинаково. Время представляет собой независимый от материальных объектов процесс длительности.

Понятые так, пространство и время давали в рамках классической механики постоянную возможность описывать любое физическое событие в инерциальных системах отсчета (системах координат). Эти же представления породили и теорию дальнодействия, согласно которой материальные взаимодействия распространяются в пространстве мгновенно и на бесконечные расстояния. Таково, например, Ньютоново тяготение.

Сами понятия классической механики содержат именно и только такое представление о пространстве и времени. Действительно понятие «твердое тело» предполагает, что силовое воздействие на одну его точку (точку приложения силы) мгновенно передается любой другой его точке. Но что значит «мгновенно»? Это фактически обозначает – «вне времени». В данном случае мы имеем образ чистого трехмерного пространства (евклидово пространство) и мгновенного действия в нем (дальнодействие). Из признания возможности мгновенного действия вытекают отличия в трактовке пространства и времени.

Для пространства отсюда следует возможность выбора различных начальных точек отсчета и соответственно различных координат у каждой материальной точки.

Поэтому в классической механике употребляется слово «абсолютное» применительно к времени в смысле его независимости от выбора пространственной системы отсчета. (Время едино для всех событий на линии (t), где бы ни были они расположены в пространстве). Выражение «абсолютное пространство» означает существование привилегированной системы пространственных координат. Если сделать бесконечный последовательный ряд фотографий взаимодействия тел, то получится снимок всего бесконечного пространства. Поскольку на каждой фотографии время будет единым для всех событий, то получится единый поток времени, охватывающий всю бесконечную Вселенную.

Отличие между абсолютным пространством Ньютона и доньютоновой интерпретацией абсолютного пространства заключается в однородности пространства классической механики. В этом пространстве нет привилегированных точек отсчета (Земля как абсолютный центр Вселенной). Абсолютное движение до классической механики – это движение относительно Земли. Поэтому это абсолютное движение можно было увидеть непосредственно. Таким образом, - до Ньютона абсолютное движение определялось через абсолютное пространство.