Проблема простору і часу в історії науки

Зміст

Введення

1. Поняття простору і часу

2. Уявлення про простір і час в античні часів

Висновок

Список використаної літератури

Введення

Наші уявлення про простір і час визначають картину світу. Вони впорядковують речі та явища, що оточують нас і є фундаментальними поняттями при спробах науки і філософії пояснити світ. Немає такого закону фізики, який можна було б сформулювати без понять простору і часу. Саме тому значна зміна змісту цих понять завдяки теорії відносності стало однією з найбільших революцій в історії науки.

Класична фізика виходила з уявлень про абсолютну, тривимірному просторі, існуючому незалежно від містяться в ньому матеріальних об'єктів і підпорядковуються законам евклідової геометрії. Час розглядалося як самостійне вимірювання, яке носить абсолютний характер і тече з однаковою швидкістю, незалежно від матеріального світу. На Заході ці уявлення стали такою невід'ємною частиною всього світогляду філософів і вчених, що в них бачили істинні і безсумнівні властивості природи.

1. Поняття простору і часу

У повсякденній сприйнятті під простором розуміють якусь протяжну порожнечу, в якій можуть знаходитися будь-які предмети. Однак між небесними тілами є деяка кількість речовини, та й фізичний вакуум містить віртуальні частинки. У науці простір розглядається як фізична сутність, що має конкретними властивостями і структурою.

"У світі, - писав В. І. Ленін, - немає нічого крім рухомої матерії, а рухома матерія не може рухатися інакше ніж у просторі та часі". Матерія об'єктивно існує у формі речовини і поля, утворює Всесвіт, існуючу незалежно від того, відчуваємо ми її чи ні.

Простір і час - основні форми існування матерії і в цьому виявляється їх універсальність і загальність. Традиційно вважається, що простір тривимірно. Час має один вимір. Простір виражає порядок розташування одночасно існуючих об'єктів. Час показує послідовність існування змінюють один одного явищ - від минулого до майбутнього. Розвиток природознавства показало, що простір і час не можуть існувати незалежно від матеріальних процесів і один від одного. Простір і час не просто пов'язані з рухомою матерією. Рух матерії - це сутність простору і часу. Природознавство 17-19 ст., Трактуючи об'єктивність простору і часу, розглядало їх у відриві один від одного, як щось самостійне, що існує абсолютно незалежно від матерії і руху. Натуралісти аж до 20 століття ототожнювали простір з порожнечею, вважаючи його абсолютним, завжди і скрізь однаковим і нерухомим, а час - протікає рівномірно. Сучасна фізика відкинула старі уявлення про час як єдиним для всієї нескінченної Всесвіту і просторі як порожньому вмістилище тіл.

Біологічні передумови поняття часу пов'язані, перш за все, з ритмікою людського організму. Чим глибше дослідники знайомляться, з цією ритмікою, тим більш вражаючим стає картина. Температура тіла, виявляється, максимальна приблизно о шостій вечора, а падає до мінімуму між п'ятьма - сьомою ранку. Кістковий мозок виробляє червоні кров'яні тільця активніше всього вранці. Здатність шлунка перетравлювати їжу вночі практично дорівнює нулю, зате максимальної стає до середини дня. Різних ритмічних процесів налічується в нашому тілі до сорока. Наші ритми не дані нам від народження. Ми купуємо їх з віком. Час, уособлене зміною дня і ночі, поступово налаштовує "внутрішній годинник" організму.

Час для організму визначається послідовністю подій. "Здатність фіксувати послідовність процесів, - пише Є. К. Сепп у своїй" Історії розвитку нервової системи хребетних ", - є основною здатністю мозкової кори. В основі її лежить динамічна поляризація нейронів. За ланцюгах нейронів імпульси протікають в одному напрямку, і в такому порядку фіксуються сліди колишніх збуджень ".

Досліди, виконані, у ФРН і Японії на живих клітинах, підтвердили, що ритмічність процесів спирається на таке фундаментальне властивість організму, як запасання і витрачання енергії. Нічого таємничого немає в добових циклах. Вони склалися ще на зорі зародження життя на планеті, коли, так само як і зараз, день змінювався вночі і живі організми з добовою ритмічністю запасали енергію сонячного світла. Інша частота просто невигідна.

Для правильного розуміння проблеми універсальності основних властивостей простору необхідно розрізняти простір реальне, існуюче "насправді", простір концептуальне, тобто деяке наукове уявлення про реальний просторі (в основному це фізичні та абстрактні математичні простору) і простір перцептуальное (від лат. Perceptio - сприйняття, безпосереднє відображення об'єктивної дійсності органами чуття), тобто простір, сприймається людиною своїми органами почуттів, і перш за все зором і дотиком, іншими словами, що здається простір, який, отже, може бути суто індивідуальним.

До певної міри перцептуальное простір пов'язує реальне і концептуальне простору. У початковий період пізнання світу ці три види простору можуть зливатися в один, що ототожнюється з реальним простором, що й проявляється в міфології. З розвитком перших філософських систем і геометрії відбувається інтуїтивне усвідомлення відмінностей між реальним, концептуальним і перцептуальних просторами. Причому якщо для філософії характерним було ототожнення переважно реального та концептуального ("мислимого") простору, то в науці того часу найчастіше ототожнювалися концептуальне і перцептуальное простору.

Втім, ототожнення різних видів простору (в їх різному поєднанні) характерно і для багатьох сучасних дослідників, як філософів, так і натуралістів і суспільствознавців. І оскільки реальність пізнається людиною в процесі теоретичної та чуттєво-практичної діяльності, остільки найбільше "страждає" уявлення про реальний просторі. Як правило, реального простору приписуються властивості концептуального і перцептуального просторів, тобто на нього переносяться наші теоретичні уявлення про простір і (або) чуттєве сприйняття простору.

Така експансія "мислимих" властивостей простору на реальні призводить до спотворення змісту самих уявлень про простір, так як ми ототожнюємо ці властивості без корекції *, без урахування відносності пізнання. Тому в історії пізнання існують різні уявлення про простір.

Констатуючи відмінності між реальним, концептуальним і перцептуального простору, ми повинні виділити і спільне між ними. Строго кажучи, спільне між цими видами простору - у їх відповідності, тому що останні два, відображаючи, моделюють перше. Мабуть, одним з основних властивостей є їх топологічний схожість: між точками реального і перцептуального просторів існує взаємооднозначної відповідність і порядок точок у реальному просторі визначає порядок точок у перцептуальном. У свою чергу, безперервному руху тіла в перцептуальном просторі відповідає безперервний рух тіла в просторі реальному.

Встановлення топологічного * подібності між реальним і концептуальним просторами значно складніше. Ця складність зумовлена ​​тим, що концептуальний простір створюється тільки в розумі людини для наукового пізнання реального простору. Воно носить часом гранично абстрактний характер і виражається у вигляді символів - математичних, фізичних та інших.

Перцептуальное же простір, будучи безпосереднім відображенням реального простору, є відображенням чуттєве. Воно є нам у процесі повсякденного, повсякденного досвіду, який постійно співвідносить це простір з простором реальним, що і дозволяє нам орієнтуватися в ньому. Тут немає символів, є лише безпосереднє сприйняття: навіть стіл, наприклад, не стіл взагалі, а даний конкретний стіл. Але як тільки ми вводимо символічне уявлення про простір, так відразу ж переходимо на рівень концептуального простору, незалежно від того, які ці символи.

У вигляді символів можна бути і реальне, і перцептуальное простір: фізичний простір, простір художнє (подання реального або перцептуального простору на художньому полотні, наприклад, або на сцені), математичне і т. д. Тому концептуальних просторів може бути, мабуть, скільки завгодно , і всі вони будуть представленням двох інших видів простору. Мало того, саме завдяки концептуальному простору ми часом ототожнюємо реальне і перцептуальное простору, стверджуючи, що при описі наших відчуттів простору ми описуємо реальний простір (це, зокрема, характерно для вульгарно-матеріалістичних філософських систем). Але, на жаль, тим самим перцептуальное простір, накладаючись своєрідною "матрицею" на наше мислення, що, цілком природно, ускладнює розуміння концептуального простору. Останнє ми прагнемо представити у вигляді очевидною, зрозумілою картини, а це, у свою чергу, ускладнює дослідження реального простору.

2. Уявлення про простір і час в античній філософії

Вже в античному світі мислителі замислювалися над природою і сутністю простору і часу. Так, одні з філософів заперечували можливість існування порожнього простору, або, за їхнім висловом, небуття. Це були представники елейської школи у Стародавній Греції. А знаменитий лікар і філософ Емпедокл хоча і підтримував вчення про неможливість порожнечі, на відміну від елеатів стверджував реальність зміни та рухи. Він говорив, що риба, наприклад, пересувається у воді, а порожнього простору не існує.

Деякі філософи, в тому числі Демокріт, стверджували, що порожнеча існує, як матерії і атоми, і необхідна для переміщень і сполук атомів.

Найбільш повну і послідовну спробу відірвати час від матерії зробив Ньютон. Він назвав його абсолютне, істинне, математичне час, який "... за самою своєю суттю, без жодного відношення до будь-чого зовнішнього, протікає рівномірно й інакше називається тривалістю". І простір у нього було точно таким же: абсолютним, істинним і порожнім, не пов'язаним ні з предметами, в ньому знаходяться, ні з їх змінами, ні згодом. Воно було б рамкою для світу реальних речей, і в цьому абсолютному просторі панувало абсолютний рух, вимірюване вже відомим нам абсолютним часом. Навіщо знадобилося творцеві теорії всесвітнього тяжіння цей простір? Потім, що без нього ніяк не вдавалося впоратися з рухом.

Ще в давнину було помічено, що в спокійно пливе по гладі річки кораблі мандрівник не може сказати, рухається він або стоїть на місці, якщо не бачить берега. Галілей розповсюдив ці спостереження і на фізичні досліди. Він писав, що настільки ж байдужим до руху виявиться і камінь, "падає з висоти корабельної щогли; цей камінь завжди закінчить своє падіння, вдаривши в одне і те ж місце як у тому випадку, коли корабель нерухомий, так і в тому, коли він йде швидким ходом ... Я. .. справив цей досвід, але ще перед тим природне міркування привело мене до твердого переконання в тому, що з нього має вийти саме те, що дійсно і вийшло ". Отже, ніякими дослідами не можна встановити, рухаємося ми чи ні, якщо рух відбувається без прискорення. У цьому - суть "принципу відносності" Галілея. Ньютон був згоден з цим принципом. І все-таки йому здавалося, що має бути щось непорушне (людина релігійна, він називав простір "нескінченним чувствіліще бога"), якась основа, спираючись на яку, спостерігач може відчути рух без прискорення. Абсолютна простір і було для Ньютона нерухомою системою відліку. Фізика XVIII століття ухвалила засади Ньютона і користувалася ними дуже плідно. Єдиною деталлю, псує фасад стрункого будинку, була швидкість світла. Доводилося вважати її нескінченно великою, тому що в порожньому просторі тільки такою вона і могла бути, а спостереження цього не підтверджували. Ще в 1675 р. датський астроном Олаус Ремер представив в Паризьку академію наук мемуар "Щодо докази руху світла". У роботі описувалися спостереження за Юпітером і його супутником Іо. Виявляється, у січні Іо з'являлася через Юпітера на цілих 16 хвилин 36 секунд раніше, ніж у червні. Оскільки в червні Земля і Юпітер знаходилися по різні сторони від Сонця, а в січні - по один бік, залишалося припустити, що вся справа в кінцевій швидкості світла. Йому було потрібно в кожному випадку відбуватися до Землі ту відстань. Нескладна поділ - і Ремер отримує першу в історії науки величину швидкості світла: близько 280 тисяч кілометрів на секунду, - чудовий результат, особливо якщо взяти до уваги неточність годин того часу та інші помилки.

Згідно арістотелівської традиції, всі закони, які керують Всесвітом, можна вивести чисто умоглядно і немає ніякої необхідності перевіряти їх на досвіді. Тому до Галілея ніхто не замислювався над тим, чи дійсно тіла різної ваги падають з різними швидкостями. Кажуть, що Галілей демонстрував хибність вчення Аристотеля, кидаючи тіла різної ваги з падаючої Пізанської вежі. Це напевно вигадка, але Галілей дійсно робив щось подібне: він скачував по гладкому укосу кулі різної ваги. Такий експеримент аналогічний скиданню важких тіл з башти, але він простіше для спостережень, тому що менше швидкості. Вимірювання Галілея показали, що швидкість кожного тіла збільшується з одного й того ж закону незалежно від ваги тіла. Наприклад, якщо взяти кулю і пустити його вниз по похилій площині з ухилом метр на кожні десять метрів, то, яким би важким не був куля, його швидкість в кінці першої секунди буде один метр на секунду, в кінці другої секунди - два метри в секунду і т. д. Звичайно, свинцева гиря буде падати швидше, ніж пір'їнку, але тільки із за того, що перо сильніше сповільнюється силою опору повітря, ніж гиря. Якщо кинути два тіла, опір повітря для яких невелика, наприклад, дві свинцеві гирі різної ваги, то вони будуть падати з однаковою швидкістю.

Ньютон вивів свої закони руху, виходячи з вимірів, проведених Галілеєм. В експериментах Галілея на тіло, що котиться по похилій площині, завжди діяла одна і та ж сила (вага тіла) і в результаті швидкість тіла постійно зростала. Звідси випливало, що в дійсності прикладена до тіла сила змінює швидкість тіла, а не просто змушує його рухатися, як думали раніше. Це ще означало, що якщо на тіло не діє сила, воно буде рухатися по прямій з постійною швидкістю. Таку думку вперше чітко висловив Ньютон у своїй книзі "Математичні начала", що вийшла в 1687 р. Цей закон тепер називається Першим законом Ньютона. Про те, що відбувається з тілом, коли на нього діє сила, йдеться у Другому законі Ньютона. Він говорить, що тіло буде прискорюватися, тобто змінювати свою швидкість, пропорційно величині сили. (Якщо, наприклад, сила зросте в 2 рази, то і прискорення в 2 рази збільшиться). Крім того, прискорення тим менше, чим більше маса (тобто кількість речовини) тіла. (Діючи на тіло вдвічі більшої маси, та ж сила створює вдвічі менше прискорення). Всім добре відомо, як просувається справа з автомобілем: чим потужніший двигун, тим більше створюване їм прискорення, але чим важче автомобіль, тим менше прискорює його той же двигун.

Крім законів руху Ньютон відкрив закон, якому підпорядковується сила тяжіння. Цей закон такий: кожне тіло притягує будь-яке інше тіло з силою, пропорційною масам цих тіл. Отже, якщо вдвічі збільшити масу одного з тіл (скажімо, тіла А), то й сила, що діє між тілами, теж збільшиться в 2 рази. Ми так вважаємо тому, що нове тіло А можна уявити собі складеним з двох тіл, маса кожного з яких дорівнює початкової масі. Кожне з цих тіл притягав би тіло В з силою, рівною первісної силі. Отже, сумарна сила, що діє між тілами А і В, була б удвічі більше цієї первісної сили. А якщо б одне з тіл мало масу, скажімо, удвічі, а друге - втричі більше початкової маси, то сила взаємодії зросла б у 6 разів. Тепер зрозуміло, чому всі тіла падають з однаковою швидкістю: тіло з подвоєним вагою буде тягнути вниз подвоєна гравітаційна сила, але і маса тіла при цьому буде в 2 рази більше. За Другому закону Ньютона ці два ефекти компенсують один одного, і прискорення буде у всіх випадках однаковою.

Закон тяжіння Ньютона говорить, що чим далі тіла один від одного, тим менше сила їх взаємодії. Згідно з цим законом, гравітаційна сила тяжіння зірки складає рівно чверть сили тяжіння такої ж зірки, але що на вдвічі меншій відстані. Закон Ньютона дозволяє з великою точністю передбачити орбіти Землі, Місяця і планет. Якщо б закон всесвітнього тяжіння був іншим і сила гравітаційного тяжіння зменшувалася швидше, ніж за законом Ньютона, то орбіти планет були б не еліпсами, а спіралями, що сходяться до Сонця. Якщо ж гравітаційне тяжіння зменшувалося б з відстанню повільніше, то тяжіння віддалених зірок виявилося б сильніше від тяжіння Землі.

Космологічна теорія Д. Бруно зв'язала воєдино нескінченність Всесвіту і простору. У своєму творі "Про нескінченність, Всесвіт і світи" Бруно писав: "Всесвіт повинен бути нескінченною завдяки здатності і розташуванню нескінченного простору і завдяки можливості і доцільність буття незліченних світів, подібних до цього ..." ^1. Представляючи Всесвіт як "ціле нескінченне", як "єдине, безмірне простір", Бруно робить висновок і про безмежності простору, бо воно "не має краю, межі і поверхні".

Практичне обгрунтування висновки Бруно отримали в "фізиці неба" І. Кеплера і в небесній механіці Г. Галілея. У геліоцентричної картині руху планет Кеплер побачив дію єдиної фізичної сили. Він встановив універсальну залежність між періодами обертання планет і середніми відстанями їх до Сонця, ввів уявлення про їх еліптичних орбітах. Концепція Кеплера сприяла розвитку математичного і фізичного вчення про простір.

Справжня революція в механіці пов'язана з ім'ям Г. Галілея, Він ввів в механіку точний кількісний експеримент і математичний опис явищ. Першорядну роль у розвитку уявлень про простір зіграв відкритий ним загальний принцип класичної механіки - принцип відносності Галілея. Згідно з цим принципом всі фізичні (механічні) явища відбуваються однаково в усіх системах, що спочивають чи рухаються рівномірно і прямолінійно з постійною за величиною і напрямком швидкістю. Такі системи називаються інерційних. Математичні перетворення Галілея відображають рух у двох інерційних системах, що рухаються з відносно малою швидкістю (меншою, ніж швидкість світла у вакуумі). Вони встановлюють інваріантність (незмінність) в системах довжини, часу і прискорення.

Подальший розвиток уявлень про простір і час пов'язана з раціоналістичної фізикою Р. Декарта, який створив першу універсальну фізико-космологічну картину світу. В основу її Декарт поклав ідею про те, що всі явища природи пояснюються механічним впливом елементарних матеріальних частинок. Взаємодією елементарних частинок Декарт намагався пояснити все спостерігаються фізичні явища: теплоту, світло, електрику, магнетизм. Саме ж взаємодія він представляв у вигляді тиску або удару при зіткненні частинок один з одним і ввів таким чином у фізику ідею блізкодействія.

Декарт обгрунтовував єдність фізики та геометрії. Він ввів координатну систему (названу згодом його ім'ям), в якій час представлялося як одна із просторових осей. Теза про єдність фізики і геометрії привів його до ототожнення матеріальності і протяжності. Виходячи з цієї тези він заперечував порожній простір і ототожнив простір з протяжністю.

Декарт розвинув також уявлення про співвідношення тривалості і часу. Тривалість, на його думку, "соприсущ матеріального світу. Час же - соприсущ людині і тому є модулем мислення". "... Час, який ми відрізняємо від тривалості, - пише Декарт у" Засадах філософії ", - є лише відомий спосіб, яким ми цю тривалість мислимо ..."

Час, як і простір, має об'єктивний характер. Вони невіддільні від матерії, пов'язані з її рухом і один з одним. За висловом І. Пригожина, "для більшості засновників класичної науки (і навіть А. Ейнштейна) наука була спробою вийти за рамки світу спостережуваного, досягти позачасового світу вищої раціональності - миру Спінози". Фактично всі картини світу, народжені точною наукою, звільнені від розвитку, "заперечують час".

Розуміння часу, захопливого світ в безперервний рух, найбільш яскраво висловив Геракліт (бл. 530 - 470 до н.е.): "В одну річку не можна увійти двічі", "Все тече, все змінюється", "Світ є сукупністю подій, а не речей ". Закони природи незмінні, вони зберігаються в будь-якому місці і в будь-який час. У Прокла (бл. 412 - 485) для більшої строгості до поняття часу застосовані геометричні міркування: "Час не подібно прямої лінії, безмежно триває в обох напрямках. Воно обмежене і описує коло. Рух часу з'єднує кінець з початком, і це відбувається велика кількість разів. Завдяки цьому час нескінченно ". Платон (бл. 428 - 347 до н. Е..) Писав: "Оскільки день і ніч, кругообіг місяців і років, рівнодення і сонцестояння зримі, очі відкрили нам число, дали поняття про час і спонукали дослідити природу Всесвіту". Архімед у трактаті "Про спіралі" показував, що спіраль з'єднує циклічність з поступальним рухом. Може бути, спіраль підійде для наочного образу часу, з'єднавши потік і коло?! Візерунок з спіралі з сонцями був знайдений на залишках глечиків неоліту і на древньому календарі - палиці з бивня мамонта, виявленому нещодавно у Східному Сибіру. Археологи тлумачать ці візерунки як відображення ідеї Часу.

Висновок

Простір і час як загальні і необхідні форми буття матерії є фундаментальними категоріями в сучасній фізиці та інших науках. Фізичні, хімічні та інші величини безпосередньо або опосередковано пов'язані з вимірюванням довжин і тривалість, тобто просторово-часових характеристик об'єктів. Тому розширення і поглиблення знань про світ пов'язано з відповідними навчаннями про простір і час.

Список використаної літератури

1. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник для студ. вузів / Тетяна Яківна Дубніщева. - 6-е вид., Испр. і доп. - М.: Видавничий центр "Академія", 2006. - 608 с.

2. Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів / Під ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. - 3-е изд., Перераб. і доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 317 с