2.2. Эволюция представлений о пространстве и времени:
Понимание пространства и времени как инвариантных самостоятельных сущностей:
Первоначально представления о пространстве и времени у древнегреческих натурфилософов сводились к отождествлению пространства с пустотой, оно рассматривалось как пустое вместилище тел в отрыве от времени и движения, как нечто абсолютное, независимое от материи.
В «Началах» Евклида (3 в. до н.э.) пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зародились геометрические представления об однородном, плоском и бесконечном пространстве.
Абсолютное пространство, по И. Ньютону, бесконечное, пустое, однородное и изотропное, большой черный ящик, «вместилище» материальных тел. Если тела исчезнут, пространство останется, т.к. абсолютное пространство остается в силу своей природы безотносительным к какому – либо внешнему предмету. Существенная характеристика ньютоновского мира трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое.
Абсолютное, истинное, математическое время течет само по себе и в силу своей природы равномерно, безотносительно к какому – либо внешнему предмету. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности. Время сводится к длительности. Значение указаний времени считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.
Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX века.
Концепция мирового эфира. В конце XIX века ученые считали, что вплотную подошли к исчерпывающему описанию Вселенной. По их представлениям, пространство было заполнено непрерывной средой – «эфиром». Лучи света и радиосигналы рассматривались как волны эфира, подобно тому, как звук представлял собой чередование плотности воздуха.
К концу столетия концепция всепроникающего эфира начала испытывать трудности. Ожидалось, что свет должен распространяться по эфиру с фиксированной скоростью. Но если вы сами движетесь сквозь эфир в том же направлении, что и свет, скорость света должна казаться меньше, а если вы движетесь в противоположном направлении, скорость света окажется больше.
Рис.4 Теория неподвижного эфира
Если бы свет был волной в упругом веществе,
называемом эфиром, его скорость казалась бы выше тому, кто движется на космическом корабле ему навстречу и ниже – тому, кто движется в том же направлении, что и свет.
Однако в ряде экспериментов эти представления не удалось подтвердить. Наиболее точный и корректный из них осуществили в 1887 г. американские ученые А. Майкельсон (1852 - 1931) и Э. Морли (1839 - 1923).
Земля вращается Лучи света, идущие под прямым Лучи света, идущие
с запада на восток углом к направлению под прямым углом
обращения Земли вокруг Солнца друг к другу,
поворачиваются вместе
с Землей, но не обнару-
живают никаких разли-
чий в скорости
Рис. 5 Теория неподвижного эфира
Не было обнаружено никаких различий между скоростью света в направлении движения Земли по орбите в перпендикулярном направлении.
Они сравнивали скорость света в двух лучах, идущих под прямым углом друг к другу. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, скорость и направление движения аппаратуры сквозь эфир меняется. Но А. Майкельсон и Э. Морли не обнаружили ни суточных, ни годичных различий в скорости света в двух лучах (рис.4). Получается, будто свет всегда движется относительно вас с одной и той же скоростью, независимо от того, как быстро и в каком направлении перемещаетесь вы сами.
Основываясь на эксперименте Майкельсона – Морли, ирландский физик Д. Фитцджералд (1815 - 1901) и голландский физик Х. Лоренц (1853 -1928) предположили, что тела, движущиеся сквозь эфир, должны сжиматься, а часы – замедляться. Это сжатие и замедление таковы, что люди всегда будут получать при измерениях одинаковую скорость света независимо от того, как они движутся относительно эфира. (Д. Фитцджералд и Х. Лоренц по – прежнему считали эфир реальной субстанцией). Однако в статье в 1905 г., А. Эйнштейн отметил, что если никто не может определить, движется он сквозь эфир или нет, то само понятие эфира становится лишним. Вместо этого он начал с постулата, что законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей, т.е., измеряя скорость света, ученые должны получать одну и ту же величину, с какой бы скоростью не двигались сами, поэтому скорость света остается независимой от их движений и одинаковой во всех направлениях (рис.5).
Отказ от идеи абсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета. Признание тесной взаимосвязи между пространством, временем, материей и ее движением.
Опыт А. Майкельсона доказал независимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики эти результаты не поддавались объяснению. Х. Лоренц вывел математические уравнения для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависимости от скорости движения.
Таким образом, относительными оказывались не только всякое движение, но и пространство и время. Указанные опыты заложили фундамент теории относительности. Теория относительности А.Эйнштейна доказала, что не существует ни абсолютного пространства, ни абсолютного времени и окончательно утвердила представление об относительности пространства и времени и зависимость их от материи.
Современные представления о пространстве и времени
Любой предмет имеет ту или иную протяженность, объем, занимает определенное положение относительно других предметов. Если мы обратимся к формам движения материи, то убедимся, что они тесно связаны с пространством. Что такое пространство?
Пространство выражает порядок расположения существующих объектов природы относительно друг друга, их объемы и протяженность. Движение материи происходит не только в пространстве, но и во времени. Одни события совершаются раньше, другие позже. Пространство – это порядок, в котором сосуществуют различные объекты природы, а время показывает последовательность существования сменяющих друг друга явлений и событий. Основными свойствами пространства являются: протяженность, однородность, изотропность (равноправность всех возможных направлений), трехмерность. Специфические свойства времени: длительность, однородность (равноправие всех моментов), одномерность и необратимость (анизотропность), оно течет от прошлого через настоящее к будущему. Реальные процессы всегда необратимы. Пространство и время являются основными формами существования материи, они не отделимы от нее. Движение составляет сущность пространства и времени. Пространство, в котором мы живем трехмерно. Почему? Ответ на этот вопрос пока не выходит за рамки антропного принципа (приложение 13). Из него следует, что в пространстве другого числа измерений, мы просто не могли бы существовать. Не было бы атомов, молекул, планетарных систем и живых организмов, а, следовательно, и человека, и вообще физический мир, если бы он существовал, при этом был бы совершенно иным (приложение 14).
Всеобщие свойства пространства и времени
- объективность и независимость от человеческого сознания;
- универсальность и реальность – это универсальные формы бытия материи, которые проявляются на всех структурных уровнях ее существования. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства и времени;
- неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей;
- единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве;
-количественная и качественная бесконечность – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время;
- неисчерпаемость их свойств.
Своеобразие свойств биологического, психологического и социального пространства и времени
Каждому структурному уровню материи соответствует специфическая форма пространства и времени.
Специфика биологического пространства и времени
Появление живой материи на Земле вызвало особое биологическое пространство и время. Это параметры состояния живого вещества. Биологическое время и пространство находятся в постоянном изменении – на смену одним клеткам приходят другие, сначала растет, затем стареет сам организм. Происходит смена видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть.
У биологического пространства и времени есть свои особенности:
Пространственную организацию живых молекул характеризует ассиметрия «левого» и «правого» в группировке атомов. Основополагающими молекулами живой материи являются молекулы белка и нуклеиновых кислот. Все белки живой материи состоят из 20 аминокислот, группировка атомов в которых расположена либо влево, либо вправо. При этом форме с «правосторонней» группировкой соответствует зеркальная ей «левосторонняя» форма (рис.6).
Особенность пространства живой материи состоит в том, что в молекулах белка живых систем имеются только «левосторонние» формы. В неживой природе пространство симметрично, нет различий между «левым» и «правым». Это хорошо видно в строении молекулы ДНК, в растениях вьющихся, завивающих спирали – усики только справа – налево. Неравенство «правизны и левизны» проявляется не только на молекулярном уровне, но и на уровне организмов, выражаясь в их строении и динамике. Существует не только симметрия, но и ассиметрия в строении органов, в композиции частей тела сложных организмов. Эта особенность до сих пор не получила общепризнанного объяснения. Предполагают, что такое сочетание симметрии и ассиметрии обеспечивает приспособительные реакции организмов, разнообразие движений и функций, необходимых для их выживания.
рис.6 Лево – и правосторонняя форма аминокислоты
Живая материя имеет специфику и временной организации. Это «биологические часы». «Тиканье» и «отключение» таких часов означает запуск и отключение химических реакций, которое обеспечивает приспособление живых организмов. Медики открыли, что в разное время суток печень, почки, легкие, сердце работают с разной интенсивностью. У них свои ритмы. Система таких химических реакций предвосхищает наступление определенных состояний внешней среды, обеспечивает готовность организма к функционированию в условиях, которые должны наступить в будущем. Живой организм приспосабливается к будущим условиям, как бы обгоняя время, и живет настоящим и будущим одновременно.
Специфика психологического пространства и времени
В результате эволюции человека происходит становление человеческой психики. Одновременно идет формирование нового феномена – психологического пространства и времени. Психическая регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства.
Медициной доказано, что после операции по ампутации конечности человек испытывает «фантомные боли» - например, первое время после операции раненый чувствует боль в ноге, которая уже удалена, т.е. психика человека продолжает сохранять память о существовавшем ранее биологическом пространстве. К психологическому времени можно отнести также воспоминания и сны.
Специфика социального пространства и времени
Становление человеческого индивида происходит в рамках социогенеза – становления человеческого общества, развития форм социальной организации и духовной жизни. Одновременно идет процесс формирования нового феномена – социального пространства и времени.
Социальное пространство можно характеризовать и как форму бытия социальной материи, в которой социальная энергия превращается в конкретные формы жизнедеятельности личностей и общества в целом. В этом плане оно обладает определенной субстанциальной реальностью. Специфическими свойствами такого пространства являются протяженность, упорядоченность, масштаб, интенсивность, насыщенность, плотность, определенная координация социальных процессов и явлений.
Социальное пространство и время имеет свои особенности. В этом пространстве и времени воспроизводится человек и развивается, как общественное существо. С возникновением общества в социальное пространство входит и отношение человека к предмету и месту своего обитания. Понятие «родина» характеризует не только определенную территорию, но и его отношение к этому месту. Специфика социального пространства связана со спецификой социального времени. Социальное время – это определенный по длительности период, каким располагает любой социальный объект и общество в целом. Это совокупное время существования и деятельности всех индивидов общества. Социальное время фиксирует особенности параметров времени в ретрансляции социального опыта и одновременность в протекании социальных событий.