10833 (Фундаментальные законы материи и концепция относительности пространства и времени)

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЕЛГОРОДСКИЙ ЮРИДИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра гуманитарных и социально-экономических дисциплин

Дисциплина: " Концепции современного естествознания "

РЕФЕРАТ

по теме:

" Фундаментальные законы материи и

концепция относительности пространства и времени "

Подготовил:

профессор кафедры ГиСЭД,

к.ф.н., доц.

Номерков А.Л.

Проверил:

Студент 534 группы

Малявкин Г.Н.

Белгород – 2008

Введение.

Понятия пространства и времени являются философскими категориями и в этом смысле не определяются в естествознании. Для естественных же наук важно уметь определять их численные характеристики - расстояния между объектами и длительности процессов, а так же - описывать их свойства, поддающиеся экспериментальному изучению.

Материалистическая философия 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, следовательно, выступают, с этих позиций, фундаментальными формами существования материи. Классическая физика рассматривала пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических объектов. Однако развитие неклассической физики (физики элементарных частиц, квантовой физики и др.) выдвинуло новые представления о пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно связаны между собой. Возникли разные концепции: согласно одним, в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного пространства, а физические объекты являются только проявлениями этого пространства. Согласно другим, пространство и время присущи лишь макроскопическим объектам.

Сказанное может означать только то, что подлинное развитие научных представлений не может быть непротиворечивым.

1. Основные концепции физических пространства и времени:

мировоззренческий экскурс

В истории науки рассмотрение мировоззренческих концепций пространства и времени обычно начинают с сопоставления концепций Демокрита и Аристотеля.

Первая из обозначенных здесь концепций, - атомистическая доктрина, - была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрины, всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи (атомов), которые двигаются, сталкиваются и сочетаются друг с другом в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются, с этой точки зрения, первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время. Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.

Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически неделимы в силу их плотности и отсутствия в них пустоты. Множество атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один большой атом, исчерпывающий собой мир.

В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром уже в 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. Математически суть изотахии состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один "атом" пространства за один "атом" времени.

Аристотель, в свою очередь, начинает анализ пространства и времени 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 реализована так называемая реляционная концепция. Измерить время с этих позиций и выбрать единицы его измерения можно только 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.

В системе Аристотеля были положения, которые во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени. Речь идёт о логическом учении Аристотеля на основе которого были разработаны первые научные теории, в частности геометрия Евклида.

В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами встречаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые считались решёнными. В таком подходе представлена модель теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами. Геометрия Евклида является, таким образом, первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов. Огромной заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории твёрдого тела и световых лучей.

Г. Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины мира, как в эмпирическом, так и в теоретико-логическом плане. С помощью телескопа он наглядно показал, насколько глубоки были революционные представления Н. Коперника, который развил гелиоцентрическую модель мира.

Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания концепций пространства и инерции: у Галилея признаётся пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошёл до идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение.

В обосновании классической механики большую роль играли введённые И. Ньютоном понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Эти понятия лежат в основании субстанциональной концепции пространства и времени, в соответствии с которой материя, абсолютное пространство и абсолютное время - три независимые друг от друга субстанции, начала мира.

Абсолютное пространство - это чистое и неподвижное вместилище тел, абсолютная равномерность событий. Ньютон считал, что вполне возможно допустить существование мира: есть только одно абсолютное пространство, и нет ни материи, ни абсолютного времени; либо же есть существование мира, в котором есть пространство и время, но нет материи; либо существует мир, в котором есть только время, но нет ни пространства, ни материи. По мнению Ньютона, абсолютное пространство и абсолютное время - это реальные физические характеристики мира, но они не даны непосредственно органам чувств, и их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции. И возможно только в будущем физика сумеет найти реальные системы, соответствующие абсолютному пространству и абсолютному времени. В своей же повседневной действительности человек имеет дело с относительными движениями, связывая системы отсчёта с теми или иными конкретными телами, т. е. имеет дело с относительным пространством и относительным временем,

Физики долгое время полностью придерживались концепции Ньютона, повторяли его определения понятий абсолютного пространства и времени. Только некоторые философы критиковали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Так Г. В. Лейбниц, "вечный оппонент" Ньютона, выступил с критикой этой концепции и отстаивал принципы реляционной теории пространства и времени, считая "пространство, так же как и время, чем-то относительным: пространство - порядком существований, а время - порядком последовательностей Ибо пространство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия" (Лейбниц Г. Переписка с Кларком. – М., 1982. С. 441.).

Однако в XVIII в. критика концепции Ньютона и философская разработка реляционной теории пространства и времени не оказали существенного воздействия на физику. Естествоиспытатели продолжали пользоваться представлениями Ньютона об абсолютном пространстве и времени, различаясь между собой лишь признанием или непризнанием наличия пустого пространства.

Проблема пространства - особая проблема, объединяющая физику и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами евклидового пространства. Для многих это было само собой разумеющаяся истина. "Здравый смысл" был философски воплощён И. Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменные "формы чувственного созерцания". Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, вообще являются единственно возможными.

Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был поставлен в связи с открытием неевклидовой геометрии. Безуспешность попыток ряда учёных многих поколений доказать пятый постулат Евклида привела к мысли о его недоказуемости, вместе с тем и о возможности построения геометрии, основанной на других постулатах. Одним из первых пришёл к этой мысли К. Ф. Гаусс, который ещё в начале XIX в. начал размышлять над вопросом о возможности создания другой, неевклидовой, геометрии. Гаусс, высказал мысль, что представления о свойствах пространства не являются априорными, имеют опытное происхождение. Однако он не пожелал втягиваться в острую дискуссию и скрывал от современников свои идеи о возможности неевклидовых геометрий.

Родиной неевклидовых геометрий стала Россия. В 1826 г. на заседании физико-математического факультета Казанского университета Н. И. Лобачевский сделал сообщение об открытии им неевклидовой геометрии, а в 1829 г. опубликовал работу "Начала геометрии", в которой показал, что можно построить непротиворечивую геометрию, отличную от всем известной и казавшейся единственно возможной геометрии Евклида (В 1832 г. венгерский математик Я. Больяй опубликовал работу, в которой (независимо от Лобачевского) также развил основные идеи неевклидовой геометрии). При этом Лобачевский считал, что вопрос о том, законам какой геометрии подчиняется реальное пространство - евклидовой или неевклидовой геометрии - должен решить опыт, и прежде всего астрономические наблюдения. Он полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и её движения, и считал вполне возможным, что "некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой геометрии" (Н.И.Лобачевский. Начала геометрии. – М., 1949. Т. 2. С. 159.), а вопрос о выборе той или иной геометрии должен решать астрономический опыт.

Спустя почти 40 лет после работ Лобачевского, в 1867 г. была опубликована работа Б. Римана "О гипотезах, лежащих в основании геометрии". Опираясь на идею о возможности геометрии, отличной от евклидовой, Риман подошёл к этому вопросу с несколько иных позиций, чем Лобачевский. С точки зрения Римана, вопрос о том, является ли геометрия нашего физического пространства евклидовой, что соответствует его нулевой кривизне, или эта кривизна не равна нулю, должен решить эксперимент. При этом он допускает, что свойства пространства должны зависеть от материальных тел и процессов, которые в нём происходят.

Кроме того, Риман высказал новое понимание бесконечности пространства. По его мнению, пространство нужно признать неограниченным; однако если оно может иметь положительную постоянную кривизну, то оно уже не бесконечно, подобно тому, как поверхность сферы, хотя, и не ограничена, тем не менее, её размеры не являются бесконечными. Так зарождалось представление о разграничении бесконечности и безграничности пространства (и времени).

Идеи неевклидовых геометрий поначалу имели весьма мало сторонников, ибо противоречили "здравому смыслу" и устоявшимся в течении многих веков воззрениям. Перелом наступил лишь во второй половине XIX в. Окончательные сомнения в логической правильности неевклидовой геометрии Лобачевского были развеяны в работах итальянского математика Э. Бельтрами, который, развивая идеи К. Гаусса в области дифференциальной геометрии для решения задач картографии, показал, что на поверхностях постоянной отрицательной кривизны (псевдосферы) осуществляется именно неевклидова геометрия. Интерес к работам Лобачевского и Римана вновь ожил и вызвал многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий и оснований геометрии.

Развитие теории неевклидовых пространств привело в свою очередь к задаче построения механики в таких пространствах: не противоречат ли неевклидовы геометрии принципам механики? Если механику невозможно построить в неевклидовом пространстве, то значит реальное неевклидово пространство невозможно. Однако исследования показали, что механика может быть построена и в неевклидовом пространстве.

И те не менее появление неевклидовых геометрий, а затем "неевклидовой механики" на первых порах не оказало влияния на физику. В классической физике пространство оставалось евклидовым, и большинство физиков не видели никакой необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве.

2. Развитие физических представлений о пространстве и времени

в истории естествознания

Во второй половине XIX в. физики всё чаще стали анализировать фундаментальные основания классической механики. Прежде всего это касалось понятий пространства и времени в их ньютоновской трактовке. Были предприняты попытки придать понятиям абсолютного пространства и абсолютной системы отсчёта новое содержание взамен того, которое им придал ещё Ньютон. Так, в 70-е гг. XIX в. было введено понятие а-тела, как такого тела во Вселенной, которое можно было бы считать неподвижным и принять его в силу этого за начало абсолютной системы отсчёта. Некоторые физики предлагали в этой связи принять за а-тело центр тяжести всех тел во Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно вполне считать находящимся в абсолютном покое.

Вместе с тем рядом физиков высказывалось и противоположное мнение, что само понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения, как движения относительно некого абсолютного пространства, лишено всякого научного содержания, как и понятие абсолютной системы отсчёта. Вместо понятия абсолютной системы отсчёта они предлагали более общее понятие инерциальной системы отсчёта (координат), не связанное с понятием абсолютного пространства. Из этого следовало, что понятие абсолютной системы координат также становится бессодержательным. Иначе говоря, все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны. Подчеркнем, что инерциальные системы - это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.

Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея. Именно преобразования Галилея и характеризуют в классической механике закономерности перехода от одной инерциальной системы отсчёта к другой.