Проблемы пространства-времени. Теория относительности

Естественные науки часто связаны с изменением длин и длительностей, т. е. пространственно-временными характеристиками объектов.

Понятие пространства возникло в науке на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени основано на восприятии человеком смены событий, состояний предметов и круговорота различных процессов.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь своего становления и развития. Отметим наиболее значимые концепции пространства и времени:

• ·         обыденные представления о пространстве и времени как об условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.
• ·         концепция абсолютного пространства и времени. Разработана И. Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии», в которой были определены понятия пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон выделил два типа этих понятий: абсолютные и относительные.

Абсолютное время, т. е. без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни (час, день, месяц, год и т. д.). Абсолютное пространство всегда безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда неизменным и неподвижным. Относительное пространство существует всегда относительно других тел.

Таким образом, пространство время являются как бы вместилищами самих себя и всего существующего, как некий «черный ящик», куда помещены все объекты бытия.

• ·         Реляционная концепция Лейбница - рассматривала пространство как порядок сосуществования тел, а время как порядок отношения и последовательность событий.
• ·         Беркли, Мах, Авенариус считали пространство и время порождением человеческого сознания.
• ·         И. Кант понимал пространство и время как вечные, неизменные категории сознания.
• ·         Концепция дальнодействия в физике утверждала, что гравитационные и электрические силы мгновенно распространяются через пустое абсолютное пространство.
• ·         Концепция близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля как среды, передающей взаимодействие.
• ·         В ХХ веке, после крушения гипотезы эфира, пространство и время стали рассматриваться как атрибуты материи.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.

Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по  одинаковым законам. Это означает, что, если в движущемся поезде бросить вверх мяч, то он упадет вниз, а не назад. Покоящийся в движущемся поезде предмет для человека, стоящего на перроне, будет восприниматься как движущийся. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно,  нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета.

В специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединила пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются на уровне элементарных частиц.

Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, частиц, полей, волн.

Общая теории относительности подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено еще в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам. Возникающим под действием ускорения.

Общая теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Было установлено, что при прохождении сигнала вблизи Солнца, его задержка составила 0,0002 с. Общая теория относительности допускает полную остановку времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи предполагаемых сверхплотных космических объектов, испытывающих сверхсжатие, т. н. черных дыр.

Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L) и кванта времени, равного отношению L/c, ограничивающего точность определения временных интервалов.

Все свойства пространства и времени можно разделить на две большие группы. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи, тогда как специфические свойства проявляются лишь на отдельных структурных уровнях.

К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:

1.      1.       Объективность и независимость от сознания человека;

2.      2.       Абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи;

3.      3.       Неразрывность между собой и с движущейся материей;

4.      4.       Единство непрерывности и прерывистости в их структуре;

5.      5.       Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.

Вместе с тем, пространство и время имеют специфические свойства. К специфическим свойствам пространства относятся:

• ·         протяженность;
• ·         непрерывность и связность (как отсутствие разрывов);
• ·         трехмерность (длина, ширина, высота);
• ·         наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве;
• ·         наличие симметрии или асимметрии;
• ·         изотропность (отсутствие верха, низа и др.);

К специфическим свойствам времени относятся:

• ·         длительность;
• ·         единство прерывного и непрерывного;
• ·         необратимость;
• ·         одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему);
• ·         конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы);
• ·         неодновременность событий в разных системах.

Кроме общих пространства и времени, некоторые авторы выделяют в качестве самостоятельных: биологическое, социальное, индивидуальное, художественное, историческое и др. пространства и время. Основания для этого есть, но во всех этих специфических системах проявляются в большинстве общие пространственно-временные свойства.