Свойства пространства и времени

До настоящего времени нет единой модели пространства и времени, применимой во всех областях естествознания. На каждом структурном уровне материи выявляются особенности пространственно-временных характеристик объектов. Поскольку пространство и время неотделимы от различных видов материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия.

При характеристике пространства и времени выделяют их общие свойства как формы бытия материальных объектов.

К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:

· объективность и независимость от сознания человека;

· неразрывная связь друг с другом и с движением материи;

· зависимость от структурных отношений и процессов развития в материальных системах;

Наряду с едиными характеристиками, которые в равной степени присущи как пространству, так и времени, им свойственны некоторые особенности, характеризующие их как различные, хотя и тесно связанные между собой, атрибуты материи.

Свойства пространства.

Сущностным свойством пространства является протяженность, понимаемая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.). Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы;

Трёхмерность пространства выражается в том, что для однозначного определения места точки в пространстве в фиксированный момент времени, необходимо и достаточно указать три ее координаты. В наиболее привычной прямоугольной декартовой системе координат это x,y,z - длина, ширина и высота; в сферической системе координат требуется указать радиус-вектор г и углы а и б; в цилиндрической системе - высоту h, радиус-вектор г и угол а.

Трёхмерность пространства является фундаментальным свойством Вселенной. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются именно в пространстве трех измерений. В одномерном (линия) или двухмерном (плоскость) пространстве не могут происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов. В настоящее время не известно каких-либо форм движения и взаимодействия, которые требовали бы четырех- или пятимерного пространства, и возможность таких процессов не вытекает ни из каких установленных законов природы.

Однородность пространства выражается в том, что не существует выделенных в каком-либо отношении точек пространства. Все точки в пространстве равноправны, поэтому не существует преимущественной точки отсчёта, любую можно принять в качестве начальной.

Изотропность пространства означает, что все направления в пространстве равнозначны. Пространство называется изотропным, если поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению результатов измерений. Физические явления в системе не должны изменяться при ее повороте в пространстве.

Обратимость пространства проявляется в том, что в каждую точку пространства можно снова и снова возвращаться.

Свойства времени.

Сущностным свойством времени является его длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие состояния. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, т.е. существуют конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход

Время одномерно: для определения времени достаточно задать одну координату. Если бы время имело не одно, а два, три измерения и больше, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с нашим миром другие миры-двойники, в которых те же события разворачиваются в той же последовательности. Но для таких предположений нет оснований.

Однородность времени означает, что любые явления, которые происходят в одних и тех же условиях, но в разные периоды времени, протекают одинаково.

Анизотропность и необратимость времени.

В отличие от пространства для времени характерна анизотропность – наличие только одного выделенного направления или так называемой «стрелы времени»: все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему.

Необратимость – свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему, невозможность вернуться в прошлое.

В природе мы постоянно сталкиваемся с необратимыми процессами.

Необратимость эволюции называется в биологии законом Л. Долло по имени бельгийского палеонтолога, сформулировавшего его: организмы, возвращаясь в процессе эволюции в среду обитания далеких предков, не могут стать абсолютно похожими на них.

Излучение энергии Солнцем и звездами являются однонаправленными процессами.

Распады неустойчивых частиц демонстрируют необратимость изменений в микромире.

Какие причины лежат в основе анизотропности и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире.

В современном естествознании существует несколько научных подходов к объяснению этого свойства времени. Выделим некоторые из них.

Направление времени задается вторым началом термодинамики, согласно которому энтропия, то есть мера беспорядка в системе, в замкнутой системе всегда возрастает.

Необратимость времени связана с процессами эволюции Вселенной, начиная с момента её возникновения, что подтверждается фактом её расширения.

Необратимость времени есть следствие принципа причинности, так как причина должна предшествовать следствию.

Общие свойства пространства и времени проявляются на всех структурных уровнях организации материи. У некоторых классов материальных объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени.

Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии пространства и времени. Ещё в 1918 Э. Нётер (1882 —1935) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени — закон сохранения энергии, изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Таким образом, пространство и время взаимосвязаны с важнейшими законами сохранения.

По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются естественнонаучные представления о пространстве и времени. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей пространства и времени можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.

Вопросы для самоконтроля.

1. Какие концепции пространства и времени были разработаны в физике?

2. В чём суть субстанциальной концепции пространства и времени?

3. Как понимаются пространство и время в реляционной концепции?

4. Как понимается время в причинной концепции?

5. Что понималось под абсолютным пространством и абсолютным временем в механике Ньютона? Каковы причины их введения?

6. Как представлялись основные свойства пространства и времени в классической физике?

7. Какие противоречия в классической науке потребовали пересмотра понятий пространства и времени?

8. Как был осмыслен отрицательный результат опыта Майкельсона?

9. Какие постулаты лежат в основе СТО?

10. Какие новые представления на пространство и время вводятся в СТО?

11. В чём заключается связь метрики пространства и времени с гравитацией в ОТО?

12. Каковы основные выводы ОТО?

13. Какие постулаты лежат в основе причинной механики Козырева?

14. Какие физические свойства времени выделяются в причинной механике?

15. Каковы основные положения концепции биологического пространства-времени Вернадского?

16. Что представляет собой хронобиология и какие свойства времени выделяют в ней?

17. Каковы всеобщие свойства пространства и времени как форм бытия материальных объектов?

18. Выделите и сопоставьте общие свойства пространства и времени.

Литература.

Аксенов Г.П. В.И.Вернадский о природе времени и пространства. – М.: Либроком, 2012.

Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюции, перспективы. - М.: Наука, 1982.

Ацюковский В.А. Критический анализ основ теории относительности. — М.: Научный мир, 2012

Баженов Л.Б. Проблемы пространства-времени // История и философия науки. Под ред. В.В.Миронова. – М.: Гардарики, 2006.

Борн М. Эйнштейновская теория относительности. - М.: Мир, 1972.

Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - Москва: Наука, 1988.

Вернадский, В.И. Размышления натуралиста. В 2-х т. Пространство и время в неживой и живой природе. – М.: Наука, 1975. Т.1.

Казарян В.П. Понятие времени в структуре научного знания. - М.: Изд-во МГУ,1980.

Козырев Н. А. Избранные труды. — Ленинград: Изд-во Ленинград. ун-та, 1991.

Молчанов Ю.Б. Проблема времени в современной науке. - М.: Наука, 1990.

Тяпкин А.А. «Об истории возникновения теории относительности». - Дубна: ОИЯИ, 2004.

Хокинг С. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. СПб.: Амфора, 2001.

Уитроу Дж. Eстественная философия времени – М.: УРСС, 2003.

[1] См.: Физическая энциклопедия в 5-ти томах под ред. академика А.М.Прохорова. – М.: Советская энциклопедия. Т. 4.

[2] Ньютон И. Математические начала натуральной философии. // В кн.: Собрание трудов академика А. Н. Крылова. - М.- Л., Из-во АН СССР, 1936. С.30.

[3] Крылов А.Н. Указ. Соч. С.30.

[4] См.: Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Современные теории. 1900-1926 гг. – М.: Изд-во Института компьютерных исследований, 2004г.; Тяпкин А.А. «Об истории возникновения теории относительности». - Дубна: ОИЯИ, 2004; Логунов А.А. К работам Анри Пуанкаре «О динамике электрона» т – М.: Изд - во МГУ, 1988.

[5] Холтон Дж. Тематический анализ науки. — М.: Прогресс, 1981. С.88.

[6] См.: Эфирный ветер. Сб. статей. 2-е издание.//Под ред. В.А.Ацюковского. М.: Энергоатомиздат, 2011.

[7] Цит. по: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. - М.: Наука, 1989, стр. 161.

[8] См.: Баженов Л.Б. Проблемы пространства-времени // История и философия науки. Под ред. В.В.Миронова. – М.: Гардарики, 2006. С.107-108.

[9] Минковский Г. Пространство-время. Спб., «Физика» 1911. С. 26.

[10] См.: Эфирный ветер. Сб. статей. 2-е издание.//Под ред. В. А. Ацюковского. М.: Энергоатомиздат, 2011.