7.1.10. Концепции пространства и времени
В обосновании классической механики большую роль играли введенные И. Ньютоном понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Эти понятия лежат в основании субстанциальной концепции пространства и времени, в соответствии с которой материя, абсолютное пространство и абсолютное время — три независимые друг от друга субстанции, начала мира.
Абсолютное пространство — это чистое и неподвижное вместилище тел; абсолютное время — чистая длительность, абсолютная равномерность событий. Ньютон считал, что вполне возможно допустить существование мира, в котором есть только одно абсолютное пространство и нет ни материи, ни абсолютного времени; либо же существование мира, в котором есть пространство и время, но нет материи; либо же существование мира, в котором есть только время, но нет ни пространства, ни материи. По мнению Ньютона, абсолютное пространство и абсолютное время — это реальные физические характеристики мира, но они не даны непосредственно органам чувств, и их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции; возможно, только в будущем физика сумеет найти реальные системы, соответствующие абсолютному пространству и абсолютному времени. В своей же повседневной действительности человек имеет дело с относительными движениями, связывая системы отсчета с теми или иными конкретными телами, т.е. имеет дело с относительным пространством и относительным временем.
Физики долгое время полностью придерживались субстанциальной концепции Ньютона, повторяли его определения понятий абсолютного пространства и времени. Только некоторые философы критиковали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Так, Г.В. Лейбниц, «вечный оппонент» Ньютона, выступил с критикой субстанциальной концепции и отстаивал принципы реляционной теории пространства и времени, считая «пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком существований, а время — порядком последовательностей. Ибо пространство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия» *. Однако в XVIII в. критика субстанциальной концепции Ньютона и философская разработка реляционной теории пространства и времени не оказали существенного воздействия на физику. Естествоиспытатели продолжали пользоваться представлениями Ньютона об абсолютном пространстве и времени, различаясь между собой лишь признанием или непризнанием наличия пустого пространства.
* Лейбниц Г.В. Переписка с Кларком // Соч.: В 4 т. М., 1982. Т. 1. С. 441.
Проблема пространства — особая проблема, объединяющая физику и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами евклидового пространства. Для многих это была само собой разумеющаяся истина. «Здравый смысл» был философски воплощен И. Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменные априорные «формы чувственного созерцания». Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, вообще являются единственно возможными.
Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был поставлен в связи с открытием неевклидовой геометрии. Безуспешность попыток ряда ученых многих поколений доказать пятый постулат Евклида привела к мысли о его недоказуемости, а вместе с тем и о возможности построения геометрии, основанной на других постулатах. Одним из первых пришел к этой мысли К.Ф. Гаусс, который еще в начале XIX в. начал размышлять над вопросом о возможности создания другой, неевклидовой, геометрии. Гаусс высказал мысль, что представления о свойствах пространства не являются априорными, а имеют опытное происхождение. Однако он не пожелал втягиваться в острую дискуссию и скрывал от современников свои идеи о возможности неевклидовых геометрий.
Родиной неевклидовых геометрий стала Россия. В 1826 г. на заседании физико-математического факультета Казанского университета Н.И. Лобачевский сделал сообщение об открытии им неевклидовой геометрии, а в 1829 г. опубликовал работу «Начала геометрии», в которой показал, что можно построить непротиворечивую геометрию, отличную от всем известной и казавшейся единственно возможной геометрии Евклида *. При этом Лобачевский считал, что вопрос о том, законам какой геометрии подчиняется реальное пространство — евклидовой или неевклидовой геометрии — должен решить опыт, и прежде всего астрономические наблюдения. Он полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и ее движения, и считал вполне возможным, что «некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой геометрии» **, а вопрос о выборе той или иной геометрии должен решать астрономический опыт.
* В 1832 г. венгерский математик Я. Больяй опубликовал работу, в которой (независимо от Лобачевского) также развил основные идеи неевклидовой геометрии.
** Лобачевский Н.И. Полн. собр. соч. М.; Л., 1949. Т. 2. С. 159.
Спустя почти 40 лет после работ Лобачевского, в 1867 г. была опубликована работа Б. Римана «О гипотезах, лежащих в основании геометрии». Опираясь на идею о возможности геометрии, отличной от евклидовой, Риман подошел к этому вопросу с несколько иных позиций, чем Лобачевский. Он вводит обобщенное понятие пространства как непрерывного многообразия п-го порядка или совокупности однородных объектов — точек, определяемых системой чисел (x1, х2,..., хn). Используя работы Гаусса по геометрии поверхностей в обычном трехмерном пространстве, Риман вводит для характеристики многообразия n-го порядка понятие расстояния между бесконечно близкими точками ds и понятие кривизны для каждой точки этого многообразия. В искривленном пространстве нет прямых линий, а свойства геометрических фигур другие, чем на плоскости. Прямая заменена здесь линиями, которые являются кратчайшими расстояниями между точками. С точки зрения Римана, вопрос о том, является ли геометрия нашего физического пространства евклидовой, что соответствует его нулевой кривизне, или эта кривизна не равна нулю, должен решить эксперимент. При этом он допускает, что свойства пространства должны зависеть от материальных тел и процессов, которые в нем происходят.
Кроме того, Риман высказал новое понимание бесконечности пространства. По его мнению, пространство нужно признать неограниченным; однако если оно может иметь положительную постоянную кривизну, то оно уже не бесконечно, подобно тому как поверхность сферы хотя и не ограничена, но тем не менее ее размеры не являются бесконечными. Так зарождалось представление о разграничении бесконечности и безграничности пространства (и времени).
Идеи неевклидовых геометрий первое время имели весьма мало сторонников, так как противоречили «здравому смыслу» и устоявшимся в течение многих веков воззрениям. Перелом наступил только во второй половине XIX в. Окончательные сомнения в логической правильности неевклидовой геометрии Лобачевского были развеяны в работах итальянского математика Э. Бельтрами, который, развивая идеи К. Гаусса в области дифференциальной геометрии для решения задач картографии, показал, что на поверхностях постоянной отрицательной кривизны (псевдосферы) осуществляется именно неевклидова геометрия. Интерес к работам Лобачевского и Римана вновь ожил и вызвал многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий и оснований геометрии. Здесь следует упомянуть «Эрлангенскую программу Ф. Клейна» (1872), которая вплоть до настоящего времени является руководящей не только для построения новых систем геометрии, но и для теоретической физики. По Ф. Клейну, для построения геометрии необходимо задать: некоторое многообразие элементов; группу преобразований, дающую возможность отображать элементы заданного многообразия друг на друга. А геометрия должна изучать те отношения элементов, которые инвариантны при всех преобразованиях данной группы. С этих позиций геометрические теории могут быть типологизированы следующим образом: геометрия Евклида, изучающая инварианты перемещений; аффинная геометрия; проективная геометрия (геометрия Лобачевского трактуется как часть проективной геометрии); конформная геометрия; топология (геометрия групп непрерывных преобразований, т.е. таких, при которых сохраняется бесконечная близость точек), играющая большую роль в современной космологии, квантовой теории гравитации и др.
Развитие теории неевклидовых пространств привело в свою очередь к задаче построения механики в таких пространствах: не противоречат ли неевклидовы геометрии принципам механики? Если механику невозможно построить в неевклидовом пространстве, то значит реальное неевклидово пространство невозможно. Однако исследования показали, что механика может быть построена в неевклидовом пространстве.
И тем не менее появление неевклидовых геометрий, а затем «неевклидовой механики» на первых порах не оказало влияния на физику. В классической физике пространство оставалось евклидовым, и большинство физиков не видели никакой необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве.
- В.М.Найдыш Концепции современного естествознания
- Предисловие
- Введение Естествознание как отрасль научного познания
- B.I. Понятие культуры
- В.2. Материальная и духовная культура
- В.З. Наука как компонент духовной культуры
- В.4. Проблема культур в науке: от конфронтации к сотрудничеству
- В.5. Структура естественно-научного познания
- Часть первая Основные исторические периоды развития естествознания
- 1. Накопление рациональных знаний в системе первобытного сознания
- 1.1. Повседневное, стихийно-эмпирическое знание
- 1.2. Зарождение счета
- 1.3. Мифология
- 2. Наука в цивилизациях древности
- 2.1. Становление цивилизации
- 2.1.1. Неолитическая революция
- 2.1.2. Рационализация форм деятельности и общения
- 2.1.3. Разделение труда и развитие духовной культуры
- 2.1.4. Возникновение письменности
- 2.1.5. «Культурное пространство» древневосточных цивилизаций
- 2.2. Развитие рациональных знаний в эпоху классообразования цивилизаций Древнего Востока
- 2.2.1. От Мифа к Логосу (Науке)
- 2.2.2. Географические знания.
- 2.2.3. Биологические, медицинские и химические знания
- 2.2.4. Астрономические знания
- 2.2.5. Математические знания
- 3. Создание первой естественно-научной картины мира в древнегреческой культуре
- 3.1. Культурно-исторические особенности древнегреческой цивилизации
- 3.2. От Хаоса к Космосу
- 3.3. Категория субстанции
- 3.4. Мир как число
- 3.4.1. Пифагорейский союз
- 3.4.2. Математические и естественно-научные достижения пифагореизма
- 3.5. Формирование первых естественно-научных программ
- 3.5.1. Великое открытие элеатов
- 3.5.2. Атомистическая программа
- 3.5.3. Математическая программа
- 3.6. Физика и космология Аристотеля
- 3.6.1. Учение Аристотеля о материи и форме
- 3.6.2. Космология Аристотеля
- 3.6.3. Основные представления аристотелевской механики
- 3.7. Естествознание эллинистически-римского периода
- 3.7.1. Культура эллинизма
- 3.7.2. Александрийская математическая школа
- 3.7.3. Развитие теоретической и прикладной механики
- 3.8. Развитие древнегреческой астрономии
- 3. 8.1. Становление математической астрономии
- 3.8.2. Геоцентрическая система Птолемея
- 3.9. Античные воззрения на органический мир
- 3. 9.1. Античные толкования проблемы происхождения и развития живого
- 3.9. 2. Биологические воззрения Аристотеля
- 3. 9.3. Накопление рациональных биологических знаний в античности
- 3.9.4. Античные представления о происхождении человека
- 3.10. Упадок античной науки
- 4. Естествознание в эпоху средневековья
- 4.1. Особенности средневековой духовной культуры
- 4.1.1. Доминирование ценностного над познавательным
- 4. 1.2. Отношение к познанию природы
- 4.1.3. Особенности познавательной деятельности
- 4.2. Естественно-научные достижения средневековой арабской культуры
- 4.2.1. Математические достижения
- 4.2.2. Физика и астрономия
- 4.3. Становление науки в средневековой Европе
- 4.4. Физические идеи средневековья
- 4.5. Алхимия как феномен средневековой культуры
- 4.6. Религиозная трактовка происхождения человека
- 4.7. Историческое значение средневекового познания
- 5. Познание природы в эпоху возрождения
- 5.1. Ренессанская мировоззренческая революция
- 5.2. Зарождение научной биологии
- 5.3. Коперниканская революция
- 5.3.1. Гелиоцентрическая система мира
- 5.3.2. Дж. Бруно: мировоззренческие выводы из коперниканизма
- 6. Научная революция XVII в.: возникновение классической механики
- 6.1. И. Кеплер: от поисков гармонии мира к открытию тайны планетных орбит
- 6.2. Формирование непосредственных предпосылок классической механики как первой фундаментальной естественно-научной теории
- 6.2.1. Г. Галилей: разработка понятий и принципов «земной динамики»
- 6.2.2. Картезианская физика
- 6.2.3. Новые идеи в динамике Солнечной системы
- 6.3. Ньютонианская революция
- 6.3.1. Создание теории тяготения
- 6.3.2. Корпускулярная теория света
- 6.3.3. Космология Ньютона
- 6.4. Изучение магнитных и электрических явлений вXviIв.
- 7. Естествознание XVIII -первой половины XIX в.
- 7.1. Общая характеристика развития физики
- 7.1.1. Становление основных отраслей классической физики
- 7.1.2. Принцип дальнодействия
- 7.1.3. Теория теплорода
- 7.1.4. Развитие учения об электричестве и магнетизме в XVIII в.
- 7.1.5. Физика первой половины XIX в.: общая характеристика
- 7.1.6. Волновая теория света
- 7.1.7. Проблема эфира
- 7.1.8. Возникновение полевой концепции
- 7.1.9. Закон сохранения и превращения энергии
- 7.1.10. Концепции пространства и времени
- 7.1.11. Методологические установки классической физики (конец XVII - начало XX вв.)
- 7.2. Развитие астрономической картины мира
- 7.2.1. Создание внегалактической астрономии
- 7.2.2. Формирование идеи развития природы
- 7.2.3. Идея развития в астрономии
- 7.2.4. Космогония и. Канта
- 7.2.5. Методологические установки классической астрономии
- 7.3. Возникновение и развитие научной химии
- 7.3.1. От алхимии к научной химии
- 7. 3.2. Лавуазье: революция в химии
- 7.3.3. Победа атомно-молекулярного учения
- 7.4. Биология
- 7.4.1. Образы, идеи, принципы и понятия биологии XVIII в.
- 7.4.2. От концепций трансформации видов к идее эволюции
- 7.4.3. Ламаркизм
- 7.4.4. Катастрофизм
- 7.4.5. Униформизм. Актуалистический метод
- 7.4.6. Дарвиновская революция
- 7.4.7. Методологические установки классической биологии
- 8. Естествознание второй половины XIX в.: на пути к новой научной революции
- 8.1. Физика
- 8.1.1. Основные черты
- 8.1.2. От возникновения термодинамики к статистической физике: изучение необратимых систем
- 8.1.3. Развитие представлений о пространстве и времени
- 8.1.4. Теория электромагнитного поля
- 8.1.5. Великие открытия
- 8.1.6. Кризис в физике на рубеже веков
- 8.2. Астрономия
- 8.2.1. Триумф ньютоновской астрономии и... Первая брешь в ней
- 8.2.2. Формирование астрофизики: проблема внутреннего строения звезд
- 8.3. Биология
- 8. 3.1. Утверждение теории эволюции ч. Дарвина
- 8.3.2. Становление учения о наследственности (генетики)
- Часть вторая
- 9.1.2. Создание а. Эйнштейном специальной теории относительности
- 9.2. Создание и развитие общей теории относительности
- 9.2.1. Принципы и понятия эйнштейновской теории гравитации
- 9.2.2. Экспериментальная проверка общей теории относительности
- 9.2 3. Современное состояние теории гравитациии ее роль в физике
- 9.3. Возникновение и развитие квантовой физики
- 9.3.1. Гипотеза квантов
- 9.3.2. Теория атома и. Бора. Принцип соответствия
- 9.3.3. Создание нерелятивистской квантовой механики
- 9.3.4. Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности
- 9.4. Методологические установки неклассической физики
- 10. Мир элементарных частиц
- 10.1. Фундаментальные физические взаимодействия
- 10.1.1. Гравитация
- 10.1.2. Электромагнетизм
- 10.1.3. Слабое взаимодействие
- 10.1.4. Сильное взаимодействие
- 10.1.5. Проблема единства физики
- 10.2. Классификация элементарных частиц
- 10.2.1. Характеристики субатомных частиц
- 10.2.2. Лептоны
- L0.2.3. Адроны
- 10.2.4. Частицы - переносчики взаимодействий
- 10.3. Теории элементарных частиц
- 10.3.1. Квантовая электродинамика
- 10.3.2. Теория кварков
- 10.3.3. Теория электрослабого взаимодействия
- 10.3.4. Квантовая хромодинамика
- 10.3.5. На пути к Великому объединению
- Современная астрономическая картина мира
- 11. Особенности астрономии XX в.
- 11.1. Изменения способа познания в астрономии хх в.
- 11.2. Новая астрономическая революция
- 11.3. Солнечная система
- 11.3.1. Планеты и их спутники
- 11.3.2. Строение планет
- 11.3.3. Происхождение планет
- 11.3.4. Химический состав вещества во Вселенной
- 11.4. Звезды
- 11.4.1. Звезда - газовый шар
- 11.4.2. Эволюция звезд: звезды от их «рождения» до «смерти»
- 11.5. Острова Вселенной: галактики
- 11.5.1. Общее представление о галактиках и их изучении
- 11.5.2. Наша Галактика - звездный дом человечества
- 11.5.3. Межзвездная среда
- 11.5.4. Понятие Метагалактики
- 11.6. Вселенная в целом
- 11.6.1. Особенности современной космологии
- 11.7. Эволюция Вселенной
- 11.7.1. Модель горячей Вселенной
- 11.7.2. Большой Взрыв: инфляционная модель
- 11.7.3. Первые секунды Вселенной
- 11.7.4. От первых минут Вселенной до образования звезд и галактик
- 11.7.5. Образование тяжелых химических элементов
- 11.7.6. Сценарии будущего Вселенной
- 11.8. Жизнь и разум во Вселенной: проблема внеземных цивилизаций
- 11.8.1. Понятие внеземных цивилизаций. Вопрос об их возможной распространенности
- 11.8.2. Типы контактов с внеземными цивилизациями
- 11.8.3. Поиски внеземных цивилизаций
- 11.9. Методологические остановки «неклассической» астрономии XX в.
- Современная биологическая картина мира
- 12. Особенности биологии XX в.
- 12.1. Век генетики
- 12.1.1. Хромосомная теория наследственности
- 12.1.2. Создание синтетической теории эволюции
- 12.1.3. Революция в молекулярной, биологии
- 12.1.4. Методологические установки современной биологии
- 13. Мир живого
- 13.1. Особенности живых систем
- 13.1.1. Существенные черты живых систем
- 13.1.2. Основные уровни организации живого
- 13.2. Возникновение жизни на Земле
- 13.2.1. Развитие представлений о происхождении жизни
- 13.2.2. Возникновение жизни
- 13.3. Развитие органического мира
- 13.3.1. Основные этапы геологической истории Земли
- Геологические эры Земли:
- 13.3.2. Начальные этапы эволюции жизни
- 13.3.3. Образование царства растений и царства животных
- 13.3.4. Завоевание суши
- 13.3.5. Основные пути эволюции наземных растений
- 13.3.6. Пути эволюции животных
- 14. Возникновение человека и общества (антропосоциогенез)
- 14.1. Естествознание XVII— первой половины xiXв. О происхождении человека
- 14.2. Предпосылки антропосоциогенеза
- 14.2.1. Абиотические предпосылки
- 14.2.2. Биологические предпосылки
- 14.3. Возникновение труда
- 14.3.1. «Человек умелый»
- 14.3.2. Развитие древнейшей техники человека
- 14.4. Становление социальных отношений
- 14.4.1. Биологические предпосылки социальных отношений
- 14.4.2. Возникновение разделения труда
- 14.5. Генезис сознания и языка.
- 14.5.1. Раскрытие тайны происхождения сознания
- 14.5.2. Генезис языка
- Часть третья естествознание на порогеXxIв.
- 15. Теория самоорганизации (синергетика)
- 15.1. От моделирования простых систем к моделированию сложных
- 15.2. Характеристики самоорганизующихся систем
- 15.2.1. Открытость
- 15.2.2. Нелинейность
- 15.2.3. Диссипативность
- 15.3. Закономерности самоорганизации
- 16. Глобальный эволюционизм
- 17. На пути к постнеклассической науке XXI в.
- Заключение Наука и будущее человечества Естествознание как революционизирующая сила цивилизации
- Наука и квазинаучные формы духовной культуры
- Контрольные вопросы
- Литература
- Терминологический словарь
- Именной указатель
- Основные сокращения и обозначения
- Соотношения между некоторыми физическими величинами
- Содержание
- 1. Накопление рациональных знаний в системе первобытного сознания 12
- 2. Наука в цивилизациях древности 20
- 3. Создание первой естественно-научной картины мира в древнегреческой культуре 39
- 4. Естествознание в эпоху средневековья 64
- 5. Познание природы в эпоху возрождения 75
- 6. Научная революция XVII в.: возникновение классической механики 83
- 7. Естествознание XVIII -первой половины XIX в. 93
- 8. Естествознание второй половины XIX в.: на пути к новой научной революции 122
- 9. Научная революция в физике начала XX в.: возникновение релятивистской и квантовой физики 135
- 10. Мир элементарных частиц 149
- 11. Особенности астрономии XX в. 163
- 12. Особенности биологии XX в. 191
- 13. Мир живого 194
- 14. Возникновение человека и общества (антропосоциогенез) 210
- 15. Теория самоорганизации (синергетика) 224
- 16. Глобальный эволюционизм 228
- 17. На пути к постнеклассической науке XXI в. 229