Реферат: Пространство и время

Введение

В доньютоновский период

Пространство и время являются основными категориями в физике, ибо большинство

физических понятий вводятся посредством операциональных правил, в которых

используются расстояния в пространстве и время. В тоже время пространство и

время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную

историю, важное место занимают как учения Древнего Востока, так и в

мифологии, а позднее в науке Древней Греции. Большое влияние на формирование

понятий пространства и времени как научных категорий сыграла пифагорейская

школа. «Вселенная втягивает из беспредельного время, дыхание и пустоту», --

говорит Пифагор. Причем пустота у пифагорейцев не имеет такого острого

понятия как у атомистов, это – скорее, неоформленное, безграничное

пространство. В этом беспредельном пространстве зародилась Единица, сыгравшая

роль семени, из которого вырос весь Космос. Вытягиваясь в длину, она

порождает число 2, что геометрической интерпретации означает линию; линия,

вытягиваясь в ширину, порождает число 3 – плоскость; плоскость, вытягиваясь в

высоту, порождает число 4 – объем. Таким образом, уже пифагорейцы, описывая

Космос, осознают (воспринимаемый нами с самого раннего детства как очевидный)

факт трехмерности пространства, в котором мы живем.

Платон, развивая учение пифагорейцев о математическом начале мира, впервые в

античной науке вводит понятие геометрического пространства. До Платона в

античной науке пространство не рассматривалось как самостоятельна категория,

отдельно от его наполнения. Платон же помещает между идеями и чувственным

миром геометрическое пространство, рассматривая его как нечто среднее,

«промежуточное» между ними. Пространство воспринимается им как

«интеллигибельная материя». Если математические числа – это чисто идеальные

сущности, то всевозможные математические объекты – сущности промежуточные и

получаются они путем соединения числа и материи. Сформировав впервые в

истории науки философию объективного идеализма, признавая идеи – первичными

сущностями (бытием), Платон тем не менее считал, что идея (единое) не может

не существовать, не быть познанной без соотнесенности с другими, с материей,

представляющей собой множество чувственно воспринимаемых вещей. Таким

образом, Платон рассматривает 3 реальности: бытие – сфера идеального;

Возникновение – сфера чувственных вещей;

Пространство – не идеальное и не чувственное.

Соответственно математика выполняет роль посредника между сферами

чувственного и идеального бытия; геометрические же объекты являются

результатом сращивания идеи с интеллигибельной материей, то есть с

пространством. Платон приводит классификацию математики, делит ее на 4 части:

арифметику,

геометрию,

геометрию изучающую тела, имеющие три измерения,

и астрономию. Так что философия Платона так же использует представления о

трехмерности пространства. Познать природные элементы, по Платону, это значит

познать их геометрически, то есть определить их пространственное образование.

Поэтому и атомы Платона, соответствующие 4 стихиям: огонь, воздух, вода и

земля, различны, ибо представляют собой различные геометрические

многоугольники: атомы Земли имеют форму куба, огня – форму тетраэдра

(четырехугольника), воздуха – форму октаэдра (восьмиугольника), воды – Фому

икосаэдра (двадцатигранник). Учение Платона может быть рассмотрено как

попытка геометризации мира.

Платоново - пифагорейская научно-исследовательская программа была развита в

эллинистический период в работах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и

Евклида. В главном труде Евклида – «Началах» -- излагаются основные свойства

пространства и пространственных фигур.

В современной науке широко используется понятие евклидового пространства как

плоского пространства трех измерений. Систематическое изучение пространства и

пространственных фигур греками было подчинено главной цели – исследованию

природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы.

Следует отметить, Что на ряду с понятием пространства в Древней Греции были

выработаны такие понятия как пустота и эфир. Эти понятия неразрывно связаны с

представлениями о свойствах пространства, принятие или не принятие их как

основополагающих в структуре науки, о чем свидетельствуют катаклизмы,

происходящие в физике на протяжении всего ее развития, в особенности на

рубеже XIX-XX вв.

В эпоху возрождения достигается осознание взаимосвязи между механикой и

геометрией, чего не было в философии древних греков. Это привело к

представлению о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением

времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направлении развития физики как

стройной системы знаний, в фундамент которой закладываются представления о

пространстве и времени как исходных понятий науки. Однако каковы особенности и

характерные черты этого пространства? Заполнено оно эфиром или является пустым?

Вопрос этот не был праздным, решение его играло роль глубинной предпосылки

построения в дальнейшем его каркаса ньютоновской физики. Леонардо да Винчи и

другие мыслители эпохи Возрождения вплотную подходили к формулированию принципа

инерции, но не могли сделать последнего шага, так как не представляли себе

движения в абсолютной пустоте, где движущееся тело не встречает никакого

сопротивления. Шаг этот сделал Галилео Галилей. Не случайно, историки науки

связывают его с именем Галилея возникновения физики как самостоятельной научной

дисциплины, потому что именно Галилей применил научный метод исследования, в

основе которого лежал научный эксперимент с характерной для него чертой –

идеализацией ситуации, позволяющей устанавливать точные математические

закономерности явлений природы. Признание им существования пустоты позволило

ему объяснить равные скорости падания различных тел и сформулировать

принцип инерции. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира –

птолемеевой и коперниковой» в «Дне втором» Галилей формулирует два основных

типа механики – принцип инерции и принцип относительности.

По существу, эти принципы описывают свойства пространства Вселенной.

Окончательную формулировку получили в механике Ньютона. Жизнь и творчество

Галилея подготовили как в методологическом, так и в научном плане почву для

свершений Исаака Ньютона, положивших начало новой эре в науке в целом и не

утративших своего непреходящего значения в наши дни. Однако для более полного

представления том, какую роль в физике Ньютона играют понятия пространства и

времени, необходимо рассмотреть точку зрения на эти понятия еще одного

выдающегося мыслителя Нового времени Рене Декарта.

Основная задача поставленная Декартом, -- математизация физики, точнее ее

геометризация по типу евклидовой геометрии. Изучение физического мира

возможно только с помощью математики. «Из всех, кто когда-либо занимался

поиском истины в науках, только математикам удалось получить некие

доказательства, то есть указать причины, очевидные и достоверные», говорит он

в «Рассуждении о методе». Следовательно, и физика должна опираться на

небольшое число аксиом, из которых дедуктивно выводится упорядоченная

последовательность выводов, обладающих той же степенью достоверности, что и

первичные аксиомы. Объективный мир, по Декарту, не что иное как

материализованное пространство или воплощенная геометрия. Из тождественности

материи и пространства Декарт делает вывод бесконечной делимости материи и,

следовательно, о не существовании неделимых атомов и пустоты. В мире не

существует пустого пространства, ибо в этом случае существовала бы

материальная протяженность. Протяженность материальна, следовательно,

пространство заполнено субстанцией. Форма тел сводится к протяженности, масса

сводится к геометрическому пространственному объему тела, индивидуальность

которого проявляется только в движении. Разграничение собственного тела и

пространства представляется следствием различных скоростей частей

пространства. Итак, фундаментальными свойствами материи являются

протяженность и движение в пространстве и во времени. И эти свойства могут

быть строго описаны математически. «Дайте мне протяженность и движение, и я

построю вселенную», -- таков основной тезис Декарта. Отрицая пустоту, Декарт

постулирует существование эфира. Позиция Декарта как геометра физики

предпослала создание им новой области математики – аналитической геометрии.

Он вводит координатную систему, известную как декартова система координат, а

так же представление о переменной величине. Иными словами, в математику

проникает движение, что само по себе подготавливает почву для возникновения

дифференцированного и интегрального исчисления.

В истории науки

Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью

пространства и времени. Так, один из философов отрицали возможность

существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были

представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый врач философ из

г. Акраганта Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в

отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что

рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.

Некоторые философы, в том числе и Демокрит, утверждали, что пустота

существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и

соединений.

В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени

носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. И только в

«Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики

объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются

геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве.

Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест»,

господствовала в естествознании до XVI века. Она представляла собой первую

универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а

пространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел

вокруг неподвижной Земли.

Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в

гелиоцентрической системе мира, развитой Коперником в работе «Об обращениях

небесных сфер». Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий

состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и

равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.

Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее

существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра

вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила

существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно научной

мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

Космологическая теория Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и

пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и марах» Бруно

писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности к

расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности

бытия бесчисленных миров, подобных этому...» (Бруно Дж. О бесконечности,

Вселенной и мирах. – М.: ОГИЗ, 1936 -.68.) Представляя Вселенную как «целое

бесконечное», как «единое, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о

безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

Практическое обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» Кеплера и

небесной механике Галилея. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер

увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную

зависимость периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца,

ввел представления о их эллиптических орбитах. Концепция Кеплера

способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.

Подлинная революция в механике связана с именем Галилея. Он ввел в механику

точный количественный эксперимент и математическое описание явлений.

Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый

им общий принцип классической механики – принцип относительности Галилея.

Страницы: 1, 2, 3