Прошло более
2500 лет с той поры, как было положено начало осмыслению времени и
пространства, тем не менее, и интерес к проблеме и споры философов, физиков и
представителей других наук вокруг определения природы пространства и времени
нисколько не снижаются. Значительный интерес к проблеме пространства и времени
естественен и закономерен, влияния данных факторов на все аспекты деятельности
человека нельзя переоценить. Понятие пространства - времени является важнейшим
и самым загадочным свойством Природы или, по крайней мере, человеческой природы.
Представление о пространстве времени подавляет наше воображение. Недаром
попытки философов античности, схоластов средневековья и современных ученых,
владеющих знанием наук и опытом их истории, понять сущность времени –
пространства не дали однозначных ответов на поставленные вопросы.
Диалектический
материализм исходит из того, что "в мире нет ничего, кроме движущейся
материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве
и во времени". Пространство и время, здесь выступают в качестве фундаментальных
форм существования материи. Классическая физика рассматривала
пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических
объектов. В прошлом веке представители неклассической физики (физики
элементарных частиц, квантовой физики и др.) выдвинули новые
представления о пространстве и времени, неразрывно связав эти категории между
собой. Возникли самые разные концепции: согласно одним, в мире вообще
ничего нет, кроме пустого искривленного пространства, а физические
объекты являются только проявлениями этого пространства. Другие концепции
утверждают, что пространство и время присущи лишь макроскопическим объектам.
Наряду с интерпретацией времени – пространства философией физики существуют
многочисленные теории философов, придерживающихся идеалистических взглядов, так
Анри Бергсон утверждал, что время может быть познано только нерациональной
интуицией, а научные концепции, представляющие время, как имеющее какое-либо
направление, неверно интерпретируют реальность.
Начинать
исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии,
анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных
представлений вплоть до наших дней.
Понятие
времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, предоставленной
смены состояний предметов и круговорота различных процессов. Естественнонаучные
представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и
развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и
в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный
объем. Рациональные идеи, согласующиеся с сегодняшними представлениями о
времени – пространстве можно найти в учениях почти всех античных мыслителей.
Так уже в учении Гераклита центральное место занимает идея всеобщего изменения
– в ту же реку вступаем и не вступаем. В анализе античных доктрин о
пространстве и времени остановимся на двух наиболее полно исследовавших данный
вопрос: атомизме Демокрита и системе Аристотеля.
Атомистическая
доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом и
во многом предвосхитила фундаментальные открытия ученных прошлого века.
Согласно, этой доктрины, всё природное многообразие состоит из мельчайших
частичек материи (атомов), которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в
пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются первоначалами
мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из отсутствия
начала у времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время, которому
соответствует бесконечное время. По Демокриту атомы физически неделимы в силу
плотности и отсутствия в них пустоты. Сама же концепция была основана на
атомах, которые в сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира.
В основе этих атомов лежат амеры (пространственный минимум материи).
Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы
не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это
совпадает с представлениями современной физики о кварках. Характеризуя систему
Демокрита как теорию структурных уровней материи - физического (атомы и
пустота) и математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя
пространствами: непрерывное физическое пространство как вместилище и
математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах
протяжения материи. В соответствии с атомистической концепцией пространства у Демокрита
сложились представления о природе времени и движения. В дальнейшем они были
развиты Эпикуром в стройную систему. Эпикур рассматривал свойства
механического движения исходя из дискретного характера пространства и
времени. Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся
с одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии состоит в
том, что в процессе перемещения атомы проходят один атом пространства за один
атом времени.
Аристотель
начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует
его в вопрос о существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени
ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет
взаимосвязи времени и движения. Аристотель показывает, что время немыслимо, не
существует без движения, но оно не есть и само движение. В такой модели
времени впервые реализована реляционная концепция. Измерить время и выбрать
единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для
того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать
движение с максимальной скоростью. В современной физике это скорость света, в
античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.
Пространство для
Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального
мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей.
Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была
построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней
космоса Аристотеля. Его космологическая модель функционировала в неоднородном
конечном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был
разделен на два уровня: земной и небесный. Земной уровень состоял из четырёх
стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из эфирных тел, пребывающих в
бесконечном круговом движении. Аристотелю удалось создать самую совершенную,
для своего времени модель пространства – времени, просуществовавшую более двух
тысячелетий.
Следующим
значительным шагов в развитии представлений о природе пространства и времени
были работы представителей классической физики. Как и для античных
исследователей мира, для представителей классической физики основными были
обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних
условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы
даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию
абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую
формулировку в работе И. Ньютона “Математические начала натуральной философии”.
Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной
картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано
определение пространства, времени, места и движения.
Раскрывая
сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий:
абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся,
обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:
«Абсолютное,
истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого
отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется
длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть
или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера
продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного
математического времени, как то: час, день, месяц, год...».
Абсолютное
пространство по своей сущности, не связано с объектами, помещенными в него, и 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. Время и
пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. При
таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми
самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо
материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. У
Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических
объектов.
Этот
взгляд близок к субстанциональному пониманию пространства и времени, хотя у
Ньютона они и не являются настоящими субстанциями, как материя. Они обладают
лишь одним признаком субстанции - абсолютной самостоятельностью существования и
независимостью от любых конкретных процессов. Но они не обладают другим важным
качеством субстанции - способностью порождать различные тела, сохраняться в их
основе при всех изменениях тел. Такую способность Ньютон признавал лишь за
материей, которая рассматривалась как совокупность атомов. Правда, материя -
тоже вторичная субстанция после Бога, который сотворил мир, пространство и
время и привел их в движение. Бог, являясь существом непространственным и
вневременным, неподвластен времени, в котором все изменчиво и преходяще. Он
вечен в своем бесконечном совершенстве и всемогуществе и является подлинной
сущностью всякого бытия. К нему не применима категория времени, Бог существует
в вечности, которая является атрибутом Бога. Чтобы полнее реализовать свою
бесконечную мудрость и могущество, он создал мир из ничего, творит материю, а
вместе с ней пространство и время как условия бытия материи. Но когда-нибудь
мир полностью осуществит заложенный в нем при творении божественный план
развития и его существование прекратиться, а вместе с миром исчезнут пространство
и время. И снова будет только вечность как атрибут Бога и его бесконечная
вездесущность. Подобные взгляды выражались еще Платоном, Аврелием, Августином,
Фомой Аквинским и их последователями.
В
этих воззрениях, даже с теологической точки зрения, содержаться глубокие
противоречия. Ведь однократный акт творения мира и обреченность его на грядущую
гибель не соответствует бесконечному могуществу, совершенству и мудрости Бога.
Этим божественным атрибутам более соответствовало бы бесконечное множество
актов творения самых различных миров, последовательно сменяющих друг друга в
пространстве и времени. В каждом из них реализовывалась бы определенная идея,
данная этому миру Богом, а все множество этих идей создавало бы бесконечное
пространство и время. Подобные идей, высказанные в общем виде еще
александрийским теологом Оригеном (III в. н.э.) и
объявленные вскоре ересью, в Новое время развивались в философии Лейбница,
выдвинувшего идею о предустановленной гармонии в каждом из потенциально
возможных миров. Лейбниц рассматривал пространство как порядок существования
тел, а время - как порядок отношения и последовательность событий. Это
понимание составило сущность реляционной концепции пространства и времени,
которая противостояла их пониманию как абсолютных и независящих ни от чего
реальностей, подвластных только Богу.
Наряду
с объективными представлениями о пространстве – времени существовали и идеалистические
концепции (Беркли, Мах, Авенариус и др.), которые ставят пространство и время в
зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека
переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так,
Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы
чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на
стабильность геометрии Евклида в течение двух тысячелетий.
После
выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно развиваться,
причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако,
вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась
в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к
выводу о волновой природе света вновь возникло понятие эфира - среды в
которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена
как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света
огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией
Ньютоновского абсолютного пространства.
Проблема
пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и
дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение
гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в
котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению.
Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с
пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет
распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к
понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие. Именно
это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках
классической физике, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и
квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты
материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.
Современное
понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности
А. Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и
времени и давней ей естественнонаучное обоснование.
Специальная
теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом
обобщения и синтеза классической механики Галелея - Ньютона и электродинамики
Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы всех физических процессов при
скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При
уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая,
таким образом, оказывается ее частным случаем”.[1]
Исходным
пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип
относительности был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики
справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой
системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой.”[2] Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется
закону инерции, гласящему: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или
равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его
под влиянием движущихся сил.”[3]
Галилей
разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим
путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля. он не замечает
никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не
скапливаются у задней стенки, а спокойно летают по всему объему. Если
подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля,
не упадет ближе к корме. Из принципа относительности следует, что между покоем
и движением - есть оно равномерно и прямолинейно - нет никакой принципиальной
разницы. Разница только в точке зрения. Например, путешественник в каюте
корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится.
Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания
считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется
на самом деле книга или нет? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто
“да” или “нет”. Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой
тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и
отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им
нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется
относительно берега вместе с кораблем. Таким образом, слово “относительно” в
названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет
никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что
движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит
нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным
движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл
лишь тогда, когда указана точка отсчета.
Если
классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики
во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности
данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая
теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых
системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными
называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.
В
соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет
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 тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные
процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.
Находясь
в сопутствующей системе отсчета, то есть, двигаясь параллельно и на одинаковом
расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые
называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях
пространственные масштабы и части будут меняться точно таким же образом.
Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета
протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские
эффекты можно заметить и изменить. Так, если воображаемый релятивистский
корабль типа фотонной ракеты отправится к далеким звездам, то после возвращения
его на Землю времени в системе корабля пройдет существенно меньше, чем на
Земле, и это различие будет тем больше, чем дальше совершается полет, а
скорость корабля будет ближе к скорости света. Разница может измеряться даже
сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в
близкое или отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета
вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.
