Реферат: Физическая картина мира

Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную реакцию со стороны его современников — ес­тествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г.В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию про­странства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.

Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц пишет: "Считаю пространст­во так же, как и время, чем-то чисто относительным: простран­ство — порядком сосуществовании, а время — порядком последо­вательностей".

Предвосхищая положения теории относительности Эйн­штейна о неразрывной связи пространства и времени с матери­ей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рас­сматриваться в "отвлечении" от самих вещей. "Мгновения в отрыве от вещей ничто, — писал он, — и они имеют свое су­ществование в последовательном порядке самих вещей".

Однако данные представления Лейбница не оказали замет­ного влияния на развитие физики, так как реляционная кон­цепция пространства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движе­ния, обоснованных в классической механике Ньютона. Впо­следствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютонов­ская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX в.

Основные положения этой картины мира, связанные с про­странством и временем, заключаются в следующем.

- Пространство считалось бесконечным, плоским, "прямо­линейным", евклидовым. Его метрические свойства описыва­лись геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолют­ное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве "вместилища" материаль­ных тел, как независимая от них инерциальная система.

- Время понималось абсолютным, однородным, равномер­но текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной "единообразно и синхронно" и выступает как независимых материальных объектов процесс длительности, Фактически классическая механика сводила время к длительности, фикси­руя определяющее свойство времени "показывать последовательность события”. Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.

- Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея-Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

- Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с 6есконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневре­менные взаимодействия объектов служили физическим карка­сом для обоснования абсолютного пространства, существую­щего независимо от времени.

До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т. е. она рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механическими свойствами тел.

Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний меж­ду телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. анг­лийскими физиками М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом , силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по пря­мым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал Эйнштейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что "недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы". Из теории Максвел­ла вытекал вывод о конечной скорости распространения элек­тромагнитных взаимодействий и существовании электромаг­нитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматри­ваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов со­хранения и принципа близкодействия благодаря введению по­нятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по словам Эйнштейна, явилось "самым важным достиже­нием со времени Ньютона". Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень сущест­венно для описания физических свойств пространства и време­ни. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь вели­чин, характеризующих электрические и магнитные поля с распре­делением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйн­штейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

Специального объяснения в рамках существовавшей в кон­це XIX в. физической картины мира требовал и отрицательный результат по обнаружению мирового эфира, полученный аме­риканским физиком А. Майкельсоном. Его опыт доказал неза­висимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению. Некоторые физики пытались истол­ковать их как указывающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлении движения под дей­ствием возникающих при этом электромагнитных сил.

Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел ма­тематические уравнения (преобразования Лоренца) для вычис­ления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависи­мости от скорости движения.

Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лорен­ца отражаются не реальные изменения размеров тел при дви­жении (что можно представить лишь в абсолютном пространст­ве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

Таким образом, относительными оказывались и "длина", и "промежуток времени" между событиями, и даже "однов­ременность" событий. Иначе говоря, не только всякое движе­ние, но и пространство, и время.

3. Свойства пространства и времени

Какие же основные свойства пространства и времени мы можем указать? Прежде всего пространство и время объективны и реальны, т. е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней. Однако в исто­рии науки и философии существовал и другой взгляд на про­странство и время — как только субъективных всеобщих форм нашего созерцания.

Согласно этой точке зрения, пространство и время не при­сущи самим вещам, а зависят от познающего субъекта. В дан­ном случае преувеличивается относительность нашего знания на каждом историческом этапе его развития. Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И. Канта.

Пространство и время являются также универсальными, все­общими формами бытия материи. Нет явлений, событий, пред­метов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развертывается в пространстве.

Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин — координат. В прямоугольной декартовой системе координат это — X, У, Z., называемые длиной, шириной и высотой. В сферической сис­теме координат — радиус-вектор r и углы a и b (3. В цилиндриче­ской системе — высота г, радиус-вектор и угол а.

В науке используется понятие многомерного пространства (и-мерного). Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному пространству оно не имеет отноше­ния. Каждая координата, например, 6-мерного пространства может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности: температуру, плотность, скорость, мас­су и т. д. В последнее время была выдвинута гипотеза о реаль­ных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 — пространственных и одно — временное. Затем из них возникает 4-мерный континуум (с лат. — непрерывное, сплошное).

В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время — необратимо и одномерно. Оно те­чет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвра­титься назад в какую-либо точку времени, но нельзя и пере­скочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для при­чинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необ­ратимость времени и его направленность определяются при­чинной связью, так как причина всегда предшествует следст­вию. Однако очевидно, что понятие предшествования уже предпо­лагает время. Более прав поэтому Г. Рейхенбах, который пишет: "Не только временной порядок, но и объединенный пространст­венно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры вселенной".

Необратимость времени в макроскопических процессах на­ходит свое воплощение в законе возрастания энтропии. В обра­тимых процессах энтропия (мера внутренней неупорядоченности системы) остается постоянной, в необратимых — возраста­ет. Реальные же процессы всегда необратимы. В замкнутой системе максимально возможная энтропия соответствует наступ­лению в ней теплового равновесия: разности температур в отдель­ных частях системы исчезают и макроскопические процессы ста­новятся невозможными. Вся присущая системе энергия превраща­ется в энергию неупорядоченного, хаотического движения микро­частиц, и обратный переход тепла в работу невозможен.

Писатель-фантаст Р. Брэдбери в одной из своих повестей иллюстрирует свойство необратимости и однонаправленно­сти времени на примере эксперимента, который, якобы, проводят существа, обитающие в четвертом измерении, над землянами. Они ставят над небольшим городком колпак, представляющий собой слой воздуха, в котором время на одну секунду отстает от течения времени в городке. Маши­ны, идущие в город или из города, самолеты, взлетающие в воздух, обнаруживают вдруг невидимое препятствие и выну­ждены возвращаться обратно. И в самом деле, невозможно вернуться во времени на любую долю секунды, и этот колпак является самым прочным препятствием для тех, кто мог бы проникнуть в город или выйти из него.

Пространство обладает свойством однородности и изотропно­сти, а время — однородности. Однородность пространства за­ключается в равноправии всех его точек, а изотропность — в равноправии всех направлений. Во времени все точки равно­правны, не существует преимущественной точки отсчета, лю­бую можно принимать за начальную.

Указанные свойства пространства и времени связаны с главными законами физики — законами сохранения. Если свойства системы не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон сохранения. Это — одно из существенных выражений симметрии в мире. Симмет­рии относительно сдвига времени (однородности времени) со­ответствует закон сохранения энергии; симметрии относитель­но пространственного сдвига (однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии по отношению поворо­та координатных осей (изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса, или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-временного интервала, его инвариантность и абсолютность по отношению ко всем системам отсчета.

В современной науке используются также понятия биологиче­ского, психологического и социального пространства и времени.

Биологическое пространство и время характеризуют особен­ности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов.