Эволюция представлений о пространстве и времени

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАЛТИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.Канта»

ВЫСШАЯ ШКОЛА ПЕДАГОГИКИ

КАФЕДРА ПЕДАГОГИКИ И ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ФАКУЛЬТЕТ: ИНСТИТУТ СОВРЕМЕННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Портфолио на тему: Эволюция представлений о пространстве и времени

ВЫПОЛНИЛА: студентка 2 курса заочного

отделения бакалавриата,

направление

«Психолого-педагогическое образование»

Захарова О

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Глушкова Л.С

Содержание

Введение

Эволюция представлений о пространстве и времени

«Что бы это значило?»

Словарь

«Во все времена» (Мифология, античность)

«Размышления на тему» (Мировой эфир и Дмитрий Менделеев)

«От античности до Эншейна»

«Интересные статьи, интернет ресурсы »

Вывод

Введение

Важнейшая задача естествознания - создание логичной, завершенной, непротиворечивой естественнонаучной картины мира. Естественнонаучная картина природы образует в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки, накопления человечеством знаний о природе, уточняется и дополняется. Формирование такой картины мира невозможно без обращения к глобальным обобщающим понятиям, выражающим самые глубокие, самые общие, универсальные свойства природы, присущие всем объектам и явлениям окружающего нас мира. К таким наиболее общим понятиям, которые формировались на протяжении многих веков истории человечества, будучи предметом изучения философии как первой науки о природе и физики как фундаментальной основы естествознания, относятся материя, движение, пространство и время.

субстанциональный ньютон относительность пространство

Эволюция представлений о пространстве и времени

Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, не говоря уже об обыденной жизни. При этом за кажущейся простотой и обманчивой интуитивной очевидностью понятий материи, движения, пространства и времени стоит непростая история осмысления человечеством фундаментальных основ бытия.

Мне кажется, развитие представлений человечества о материи, пространстве и времени представляет собой представить как бесконечную лестницу познания, которая простирается от древнейших времен до наших дней, и от наших дней в необозримое будущее. Каждая следующая ступень познания при этом основывается на предыдущей, включая в себя все ее достижения.

«Что бы это значило?»

Материальные структуры (все, существующее во Вселенной, живое и неживое) определенным образом упорядочены. Существуют две формы описания упорядоченности материальных тел и процессов: пространственная и временная.

Сторонники субстанциональной концепции (Демокрит, Аристотель, Ньютон и др.) трактовали пространство и время как инвариантные самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее. Поэтому, соотношение между пространством и временем, с одной стороны, и материей - с другой, представлялось как отношение между двумя самостоятельными субстанциями.

Демокрит: пространство ассоциируется с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов, т.е. пространство - это «вместилище» тел

Аристотель, отрицая пустоту, делает вывод, что пространство - это совокупность мест, занимаемых телами; понятия «предыдущее» и «последующее» являются выражением изменения движения.

Таким образом, по Аристотелю:

- пространство определяется местом расположения тел

- время есть мера движения

Ньютон (механистическая картина мира) развил идеи Демокрита, Аристотеля и др. до четкого представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, независимых друг от друга и не связанных с материей. Пространство у него неизменно и неподвижно и, т.к. его свойства не зависят ни от чего, в том числе и от времени, то убрав из пространства все материальные тела, пространство останется и его свойства сохранятся. Время, по Ньютону, течет одинаково во всей Вселенной, и это течение не зависит ни от чего.

Ньютоновские представления о пространстве, времени и следствия из этих представлений:

- абсолютное пространство - это независимо существующее «вместилище» материальных тел

- абсолютное время - это независимое от материи «вместилище» событий

- относительное время задается последовательностью событий

- пространство однородное, изотропное, трехмерное и описывается геометрией Евклида

- пространственные размеры тел, в покоящихся и движущихся системах отсчета, остаются одинаковыми

- справедлив классический закон сложения скоростей (например: скорость человека, идущего по движущемуся вагону, для наблюдателя, находящегося на земле, складывается из скорости человека относительно вагона и скорости вагона относительно земли)

Концепция мирового эфира: вплоть до XX века в физике господствовало представление о невидимой субстанции («тонкой материи»), заполняющей мировое пространство - мировом эфире

Опыты Майкельсона - Морли, пытающихся обнаружить мировой эфир, заключались в измерении скорости света в направлениях по движению и перпендикулярно направлению движения Земли вокруг Солнца. Эти опыты показали:

- скорость света в различных направлениях есть величина постоянная (т.е. не зависит от движения источника света)

- нарушение классического закона сложения скоростей

- неверность гипотезы «мирового эфира». Эфира нет.

В современной картине мира понимание пространства и времени сформировано теорией относительности Эйнштейна:

- пространство и время неразрывно связаны между собой, т.е. составляют единое четырехмерное пространство-время (специальная теория относительности)

- вблизи тяготеющих масс (под действием сил гравитации) пространство-время «искривляется» и уже не является Евклидовым пространством (общая теория относительности)

- пространство и время имеют относительный характер: так результаты измерений длин объектов и интервалов времен зависит от того, в какой системе отсчета они измеряются

- отказ от идеи абсолютного пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета

- существует тесная взаимосвязь между пространством, временем, материей и ее движением

- убрав из пространства все материальные объекты - исчезает пространство и время.

Словарь

Пространство на уровне повседневного восприятия интуитивно понимается как место, в котором возможно движение, различные положения и взаимные расположения объектов, отношения близости-дальности, понятие направления, как арена событий и действий, универсально содержащая все места и вмещающая объекты и структуры; иногда -- как специфическое место, в значительной мере определяющее сущность происходящих в нём событий.

С геометрической точки зрения, термин «пространство» без дополнительных уточнений обычно обозначает трёхмерное евклидово пространство (см. трёхмерное пространство).

В общелитературном и бытовом смысле означает объём или территорию, обычно большие, дающие свободу движению (бескрайнее пространство равнины, огромное пространство зала, обширное незастроенное пространство), хотя в смысле размера может быть нейтральным (внутреннее пространство здания, пространство комнаты), а иногда и имеет противоположный смысл: недостаточное пространство, спёртое пространство. Впрочем, в общелитературный язык постепенно входят и научные значения этого слова.

Понятие часто применяется в обычном языке метафорически, а в научной терминологии зачастую в весьма абстрактном смысле.

Абсолютное пространство -- в классической механике -- трёхмерное евклидово пространство, в котором выполняется принцип относительности и преобразования Галилея.

Термин введён Ньютоном (вместе с концепцией абсолютного времени) в «Математических началах натуральной философии». Пространство и время у него выступают в качестве универсального вместилища, обладающего отношениями порядка и существующие независимо как друг от друга, так и материальных тел:

…время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве -- в смысле порядка положения. По самой своей сущности они суть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения.

Вместе с тем, Ньютон отмечает нечёткость обыденной терминологии:

Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. …эти понятия обыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные.

В качестве такого математического понятия Ньютон ввёл выделенную инерциальную систему отсчёта, относительно которой и происходит абсолютное движение, не считая её физической реалией, но говоря о возможности привязки к каким-либо «неизменным» объектам -- например, к неподвижным звёздам.

Эфир (светоносный эфир, от др.-греч. б?иЮс, верхний слой воздуха; лат. aether) -- гипотетическая всепроникающая среда[1], колебания которой проявляют себя как электромагнитные волны (в том числе как видимый свет). Концепция светоносного эфира была выдвинута в XVII веке Рене Декартом и получила подробное обоснование в XIX веке в рамках волновой оптики и электромагнитной теории Максвелла. Эфир рассматривался также как материальный аналог ньютоновского абсолютного пространства. Существовали и другие варианты теории эфира.

В конце XIX века в теории эфира возникли непреодолимые трудности, вынудившие физиков отказаться от понятия эфира и признать электромагнитное поле само достаточным физическим объектом, не нуждающимся в дополнительном носителе. Абсолютное пространство было упразднено специальной теорией относительности. Неоднократные попытки отдельных учёных возродить концепцию эфира в той или иной форме (например, связать эфир с физическим вакуумом) успеха не имели.

Время -- форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения. Одно из основных понятий философии и физики, условная сравнительная мера движения материи, а также одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел.

В философии -- это необратимое течение (протекающее лишь в одном направлении -- из прошлого, через настоящее в будущее), внутри которого происходят все существующие в бытии процессы, являющиеся фактами. Тем не менее, существуют теории с симметричным временем, например, теория Уилера -- Фейнмана.

В количественном (метрологическом) смысле понятие время имеет три аспекта: координаты события на временной оси. На практике это текущее время: календарное, определяемое правилами календаря, и время суток, определяемое какой-либо системой счисления (шкалой) времени (примеры: местное время, всемирное координированное время); относительное время, временной интервал между двумя событиями; субъективный параметр при сравнении нескольких разно частотных процессов.

«Во все времена» (Мифология, античность)

Мифология

Человек всегда живет в неком пространстве, осознавая свою зависимость от таких его характеристик, как размеры, границы, объемы - он сосуществует с пространством.

Для древних людей, мифологического сознания характерно понимание пространства как противостоящего хаосу или пустоте, в которых порядок отсутствует. Пространство заполнено вещами и предметами, одухотворено и разнородно. Оно - некая причина, из которой далее возникают другие свойства бытия.

Пространство состоит из частей, упорядоченных определенным образом. Право-лево, верх-низ, центр - периферия (задается телом человека). Оболочка человеческого тела + телесность как таковая (тело мира - тело древнего бога, смерть которого дала жизнь миру), Индра - сын Неба и Земли.

В мифологическом сознании для пространства характерна определенная культурная заданность значения места, в котором может оказаться человек. Центр пространства - это место особой сакральной ценности. Внутри географического пространства оно ритуально обозначается (столб, дерево, позднее - храм, крест). Периферия пространства - это зона опасности, которую в сказках и мифах должен преодолеть герой. Иногда это даже место вне пространства (в хаосе), что фиксируется выражением типа «иди туда, не знаю куда». Победа над этим местом и злыми силами обозначает факт освоения пространства человеком, то есть «приобщение его космизированному и организованному «культурному» пространству» (подвиги Геракла).

Важнейшим свойством в ранних представлениях о пространстве выступает то, что оно не отделено от времени, образуя особое единство - хронотоп. Давайте никуда не пойдем, ведь здесь сейчас так хорошо, хотя если здесь и сейчас хорошо, то нам все равно, куда идти.

Античность

В Древней Греции в русле атомизма (Левкипп, Демокрит) появилось представление о бесконечном пустом пространстве, в котором только и возможно движение. Пространство атомистов лишено центра, вечно, не имеет границ. Эпикур, однако, лишил его изотропности, сохранив избранные направления "вверх" и "вниз" для объяснения падения тел. В представлениях других философских направлений пространство имеет границу и центр, верх и низ. (Изотропность -- одно из ключевых свойств пространства в классической механике. Пространство называется изотропным, если поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению результатов измерений.)

Пространство мира Аристотеля - конечно, наполнено воздухом и заполнено местами для объектов, неоднородно и анизотропно, (Анизотропный - т. е. двоякопреломляющий.) является ареной и участником событий. Окоем. В этом мире мы и жили вплоть до Ренессанса. Аристотель "навсегда" представил пространство, время и движение непрерывными, бесконечно делимыми.

Пространство Евклида вполне адекватно "метательной" кинематике твердых тел. Евклид обеспечил практикам средства измерения и сравнения длин, площадей и объемов объектов самой различной формы. Абстрактное пространство Евклида однородно и изотропно, бесконечно делимо и безгранично. Геометрия Евклида до сих пор питает нашу пространственную интуицию и философию.

Цикличность. Представления о прошлом, настоящем и будущем, о потоке и длительности времени.

Все в одном месте - Олимп находится рядом.

Открытые храмы (доверие миру, нет разделения на внутреннее и внешнее пространство, все пространство - сакрально).

В Средневековье

Августин (354 - 430 гг.), линейность времени и направление: «Что такое время? Пока никто меня о том не спрашивает, я понимаю, нисколько не затрудняюсь; но как скоро хочу дать ответ об этом, я становлюсь совершенно в тупик... До сотворения мира времени не было. Творением вызвало некоторое движение; моменты этого движения в мире и есть время… Где же пребывает это неуловимое время?... Время существует только в нашей душе. Прошлое - в памяти, будущее - в ожидании». (Исповедь).

В Средние века пространство Вселенной получило дополнительное оснащение: ад и рай о девяти кругах каждый; структуры, вмещающие ангелов и Бога и траектории небесных тел.

Божественный порядок, ордер, человекоразмерно: меры длины - человеческие части + дни ходьбы. При этом - большая лягушка в лесу. Герои, которые стерегут расколы мира с мечом в руках.

Отмечался Эдем на картах.

Возрождение

Появляется понятие бесконечности.

Ренессанс восстановил представление об однородном, пустом, бесконечном абстрактном пространстве и разместил в нем системы отсчета. "Вселенная есть сфера, центр которой всюду, а окружность нигде" (Николай Кузанский).

Бесконечность. Эпоха Великих географических открытий: Америка (1492) и прочие. 15 - первая половина 17 века.

В трехмерном пространстве Галилея свободное движение происходит по окружности, а не по бесконечной прямой. Пространство Галилея однородно: законы механики одинаковы во всех его точках. Пустоту Галилей изобретательно ввел как бесконечное количество пустот, лишенных величины.

Часы появляются на городских площадях в 14-15 веках, минуты не показывают.

Новое время: пустое пространство Ньютона

В Новое время ученые продолжают обсуждать конечность и бесконечность, дискретность и непрерывность пространства, связь пространства и времени, движения и материи (материя определяет пространство или наоборот?).

Философы различают пространства реальное ("на самом деле"), концептуальное (в науке и в искусстве), перцептуальное ("данное нам в чувственном восприятии"). В мифе все они объединены, в философии отождествлены реальное и концептуальное, в науке - концептуальное и перцептуальное.

В Новое время европейцы арифметизировали плоскость введением координат. Расстояние (x,y) между точками x = (x1,x2) и y = (y1,y2) не измеряется, а вычисляется.

Пары координат - векторы - можно складывать и умножать на число: на плоскости определены арифметические операции над точками (векторами).

Следующий шаг: количество координат (размерность пространства!) перешагнуло порог наглядности, но осталось конечным. Терминология сохранилась, формулы - "удлинились". Пространство стало протяженным многообразием (Грассман).

Современность

На первое место вышли проблемы концептуального пространства.

В начале ХХ века сделан еще один шаг: число координат стало "бесконечным".

Это - (арифметическое) гильбертово пространство l2.

В истории философии пространство понималось как:

абсолютная протяженность, пустота в которую включались все тела и которая от них не зависела (Демокрит, Эпикур, Ньютон);

протяженность материи и эфира (Аристотель, Декарт, Спиноза) или формы бытия материи (Гольбах, Энгельс);

порядок сосуществования и взаимного расположения объектов (Лейбниц, Лобачевский);

комплекс ощущений и опытных данных (Беркли, Мах) / априорная форма чувственного созерцания (Кант).

«Размышления на тему» (Мировой эфир и Дмитрий Менделеев)

... Чем более мне приходилось думать о природе химических элеметпов, тем сильнее я отклонял ся как от классического понятия о первичной материи, так и от надежды достичь желаемого постижения природы элементов изучением электрических и световых явлений, и каждый раз настоятельнее и яснее сознавал, что ранее того или сперва должно получить более реальное, чем ныне, представление о «массе» и об «эфире».

Д. И. Менделеев.

Портрет Д. И. Менделеева кисти И. Н. Крамского. 1878 год. Идею «химического» эфира, который, по мнению Д. И. Менделеева, тесно связан с периодической системой элементов, учёный вынашивал с 1870 х годов.

В январе 1904 года «Петербургский листок» № 5 по случаю 70-летия Дми трия Ивановича Менделеева опубликовал с ним интервью. На вопрос, какими научны ми исследованиями он занят в настоящее время, учёный ответил: «Они направлены исключительно к подтверждению выставленной мною в прошедшем году теории, или, вернее, попытки, химического пони мания мирового эфира».

Что это за теория, о которой мы так мало знаем?

Статью «Попытка химического понимания мирового эфира» Д. И. Менделеев закончил в октябре 1902 года, а опубликовал в январе 1903 года в № 1 --4 «Вестника и библиотеки самообразования». В мае 1904 года в пись ме известному астроному Саймону Нью комбу он сообщил, что в ближайшее время собирается написать статью «по поводу современных представлений о сложности химических элементов и об электронах...»

О сложности химических элементов и об электронах-- это понятно современному читателю, но мировой эфир? Сейчас даже школьники знают, что эта идея отброшена наукой. Поэтому, наверное, одна из послед них работ Менделеева очень редко коммен тируется, практически нигде не упоминается да её вообще трудно найти. Во многих науч ных и учебных библиотеках в многотомных «Сочинениях» Д. И. Менделеева отсутствует том 2, где находится глава «Попытка химиче ского понимания мирового эфира». Иногда даже создаётся впечатление, что как-то стыдливо стараются вымарать эту «курьёз ную» работу из наследия учёного. Похоже, многие снисходительно думают, что великий Менделеев на старости лет, возможно, пре высил уровень своей компетентности.

Но давайте не будем спешить с выводами. Эту «конфузную» теорию Д. И. Менделеев вы нашивал почти всю свою творческую жизнь. Через два года после открытия периодической системы (Менделееву не было ещё 40 лет) на оттиске из «Основ химии» его рукой около символа водорода сделана надпись, которую можно расшифровать так: «Легче всех эфир, в миллионы раз». По-видимому, «эфир» пред ставлялся Менделееву наилегчайшим химиче ским элементом.

«Уже с 70-х годов у меня назойливо засел вопрос: да что же такое эфир в химическом смысле ? Он тесно связан с периодическою си стемою элементов, ею и возбудился во мне, но только ныне я решаюсь говорить об этом».

Обложка книги «Попытка химического понимания мирового эфира». 1905 год.

Итак, химический элемент эфира-- элемент эфира -- атомарность эфира -- дискретность эфира. Это не тот эфир, который отбросила как ненужный костыль современная физика. Откроем словарь:

«Эфир (греч. Aither-- гипотетическая материальная среда, заполняющая пространство)... В классической физике под эфиром понималась однородная, механическая, упругая среда, наполняющая абсолютное ньютоновское пространство» (Философский словарь/Ред. М. М. Розенталь. -- М., 1975).

В классическом определении эфира -- акцент на однородности или непрерывно сти. Эфир, о котором говорит Менделеев, состоит из элементов, он атомарен, он неоднороден, он прерывен и дискретен. Он имеет структуру.

Интерес Дмитрия Ивановича к проблеме эфира в 1870-е годы тесно связан с пери одической системой («ею и возбудился во мне») и последовавшими затем работами по исследованию газов. «Сперва и я полагал, что эфир есть сумма разреженнейших газов в предельном состоянии. Опыты велись мною при малых давлениях--для получения намёков на ответ».

Но эти работы не удовлетворяли его: «... представление о мировом эфире, как пре дельном разрежении паров и газов, не выдерживает даже первых приступов вдумчиво сти -- в силу того, что эфир нельзя представить иначе как веществом, все и всюду про никающим; парам же и газам это не свойственно».

Детальная разработка «химической концепции ми рового эфира» началась с открытия инертных газов. Д. И. Менделеев предсказал много новых элементов, но вот инертные газы были неожиданны даже для него. Не сразу он принял это откры тие, не без внутренней борь бы, и разошёлся во взглядах с большинством химиков по поводу местонахождения инертных газов в периоди ческой системе. Где они должны быть расположены? Современные химики, не задумываясь, скажут: конечно, в VIII группе. А Менделеев категорически настаивал на существовании нулевой группы. Инертные газы настолько отличаются от остальных элементов, что им место было где-то на обочине системы. Казалось, какая раз ница, на правом (VIII группа) или левом (нулевая группа) краю они будут. Нам это кажется совершенно непринципиальным, особенно для того времени, когда не зна ли электронного строения атомов, хотя и сейчас мы только обольщаемся, что знаем.



По предложению Уильяма Рамзая Менделеев включает в периодическую таблицу нулевую группу, оставляя место для более лёгких, чем водород, элементов.

Менделеев думал иначе. Поставить инертные газы справа значит получить между водородом и гелием целый ряд пустот. Это был вызов -- искать новые элементы между водородом и гелием! Может, есть галоген легче фтора (вероятность существования такого галогена Менделеев допускал, если предположить, что гелий действительно находится в VIII группе) или другие лёгкие элементы между водородом и гелием? Их нет, поэтому место инертных газов слева, в нулевой группе! Тем более и валентность их уж, скорее, нулевая, чем VIII. Да и количественное соотношение атомных весов однозначно указывает на положение инертных газов слева, в начале каждого ряда.

«Это положение аргоновых аналогов в ну левой группе составляет строго логическое последствие понимания периодического закона», -- утверждал Д. И. Менделеев.

Становится понятным, почему Дмитрий Иванович настаивал на существовании ну левой группы, понятны его упоминания о гипотетическом галогене легче фтора; отсюда даже понятен его поиск элемента легче водорода, о существовании которого он давно размышлял: «Никогда мне в голову не при ходило, что именно водородом должен на чинаться ряд элементов». «Лишить водород того исходного положения, которое он давно занимает, и заставить ждать элементов ещё с меньшим, чем у водорода, весом атома, во что я всегда верил» -- вот сокровенные мысли учёного, которые он таил до тех пор, пока периодический закон окончательно не утвердится. «У меня мелькали мысли о том, что раньше водорода можно ждать элемен тов, обладающих атомным весом менее 1, но я не решался высказываться в этом смысле по причине гадательности предположения и особенно потому, что тогда я остерёгся ис портить впечатление предлагавшейся новой системы, если её появление будет сопро вождаться такими предположениями, как об элементах легчайших, чем водород».

Как раз в отстаиваемой им системе с ну левой группой, которую впервые предложил бельгийский учёный Лео Эррера в 1900 году на заседании Бельгийской королевской акаде мии наук (Academie royale de Belgique), водо род вроде бы вовсе может быть и не первым, так как перед ним с неизбежностью появляется свободное место для сверхлёгкого элемен та -- может, это и есть «элемент эфира»?

«Теперь же, когда стало не подлежать ни малейшему сомнению, что перед I группой, в которой должно помещать водород, суще ствует нулевая группа, представители которой имеют веса атомов меньше, чем у элементов I группы, мне кажется невозможным отрицать существование элементов более лёгких, чем водород», -- писал Дмитрий Иванович.

В открытом им законе Менделеев пытается с физической стороны понять природу мас сы как основной характеристики вещества. Выясняя физические основы тяготения (о том, как много сил и времени он уделял этой проблеме, мы тоже мало знаем), тесно связанные с понятием мирового эфира как «передающей» среды, он ищет легчайший элемент. Однако результаты опытов 1870-х годов, сводившихся к тому, чтобы доказать, что «эфир есть сумма разреженнейших га зов», не удовлетворили Мен делеева. На какое-то время он прекратил исследования в этом направлении, никуда не писал, но, как видно, никогда не забывал о них.

В конце жизни в поисках ответа на вопросы, касающиеся глубинных свойств материи, он вновь обращается к «мировому эфиру», с помощью которого пытается проникнуть в природу основного понятия естествознания XIX века (да и XX, и даже XXI веков) -- массы, а также дать объяснения новым открытиям и, прежде всего, радиоактивности. Основная мысль Менделеева заключается в следующем: «Реального понимания эфира нельзя до стичь, игнорируя его химизм и не считая его элементарным веществом; элементарные же вещества ныне немыслимы без подчинения их периодической законности». Характеризуя мировой эфир, Менделеев считает его, «во- первых, наилегчайшим из всех элементов как по плотности, так и по атомному весу, во-вторых, наибыстрее движущимся газом, в- третьих, наименее способным к образованию с какими-либо другими атомами или части цами определённых сколь-либо прочных со единений и, в-четвёртых, элементом, всюду распространённым и всепроникающим».

Вес атома этого гипотетического элемен та X, по расчётам Менделеева, может коле баться в пределах от 5,3Ч10'” до 9,6Ч10'7 (если атомный вес Н равен 1). Для оценки массы ги потетического элемента он привлекает знания из области механики и астрономии. Элемент Х получал своё место в периодической системе в нулевом периоде нулевой группы, как лег чайший аналог инертных газов. (Менделеев называет этот элемент «ньютонием».) Кроме того, Дмитрий Иванович допускал существо вание ещё одного элемента легче водоро да --элемента Y, корония (предположительно линии корония были зафиксированы в спектре солнечной короны при затмении Солнца в 1869 году; открытие гелия на Земле давало основание считать реальным и существование этого элемента). Вместе с тем Менделеев не раз подчёркивал гипотетичность элементов X и У и не включал их в таблицы элементов 7-го и 8-го изданий «Основ химии».

Научная требовательность и ответствен ность в работах Менделеева не нуждаются в комментариях. Но, как мы видим, если того требовала логика поиска, он смело выдвигал самые необычные гипотезы. Все предсказания, сделанные им на основе периодического закона (существование 12 неизвестных в то время элементов, а также исправления атомных масс элементов), блестяще подтвердились.

«Когда я прилагал периодический закон к аналогам бора, алюминия и кремния, я был на 33 года моложе, во мне жила полная уве ренность, что рано или поздно предвидимое должно непременно оправдаться, потому что мне всё там было ясно видно. Оправда ние пришло скорее, чем я мог надеяться. Тогда я не рисковал, теперь рискую. На это надобна решимость. Она пришла, когда я видел радиоактивные явления... и когда я со знал, что откладывать мне уже невозможно и что, быть может, мои несовершенные мысли наведут кого-нибудь на путь более верный, чем тот возможный, какой представляется моему слабеющему зрению».

Так что же, это первая крупная ошибка, может, даже глубокое заблуждение великого учёного, как сейчас считают очень многие, или всего лишь прискорбное недопонимание гения его малоспособными учениками?

В начале XX века не только Менделеев, но и многие физики и химики верили в существование «эфира». Однако после создания Альбертом Эйнштейном специ альной и общей теории относительности эта вера стала угасать. Принято считать, что к 1930-м годам проблема «эфира» уже не существовала, а вопрос об элементах легче водорода отпал сам собой. Но, опять же, отпала проблема классического эфира, эфира однородного, а вот эфир структурный (эфир Менделеева) вполне жив, только на зывается он сейчас структурным вакуумом или физическим вакуумом Дирака. Так что вопрос только в терминологии.



Запись, сделанная рукой Д. И. Менделеева на странице с периодической системой 1871 года в его учебнике «Основы химии» 1871 года, хранящемся в архиве учёного: «Легче всех эфир, в миллионы раз». Иллюстрация из книги Р. Б. Добротина и др. «Летопись жизни и деятельности Д. И. Менделеева».

Вернёмся к элементам легче водорода. Любому химику известны гомологические ряды и то, как ведут себя их первые члены, особенно первый. Первый всегда особенный. Он всегда сильно выделяется из общего ряда. Водород размещают и в I и в VII группах (он в чём-то подобен и щелочным металлам, и галогенам одновременно). Так вот, водород не похож на первый... В поисках настоящих элементов нулевого периода мы попадаем совсем в другой мир, и похоже, что это мир элементарных частиц.

Понимание химии как науки о качественных изменениях, по мнению многих исследователей, в периодической системе проявляется наиболее отчётливо, а в самом начале системы просто ослепительно ярко. «Распространён в природе простые тела имеют малый атомный вес, а все элементы с малым атомным весом характеризуются резкостью свойств. Они поэтому суть типические элементы», а по мере приближения к «нулевой точке» должны происходить просто фантастически «резкие» качественные скачки, что следует из её сингулярного характера, так как «...здесь не только край системы, но и типические элементы, а потому можно ждать своеобразия и особенностей».

Мы часто говорим о фундаментальности периодического закона, но кажется, что по- настоящему этого всё-таки не понимаем. Повторим Менделеева: «Сущность понятий, вызывающих периодический закон, кроется в общем физико-химическом начале соответствия, превращаемости и эквивалент носителя природы».

В заключение хочется привести слова Дмитрия Ивановича:

«Я и смотрю на свою далёкую от полноты попытку понять природу мирового эфира с реально химической стороны не более, как на выражение суммы накопившихся у меня впечатлений, вырывающихся исключительно лишь по той причине, что мне не хочется, чтобы мысли, навеваемые действительностью, пропадали. Вероятно, что подобные же мысли приходили много, но, пока они не изложены, они легко и часто исчезают и не развиваются, не влекут за собой постепенного накопления достоверного, которое одно сохраняется. Если в них есть хоть часть природной правды, которую мы всё ищем, попытка моя не напрасна, её разработают, дополнят и поправят, а если моя мысль неверна в основаниях, её изложение, после того или иного вида опровержения, предохранит других от повторения. Другого пути для медленного, но прочного движения вперёд я не знаю».

http://olmins.info/mirovoj-efir-i-dmitrij-mendeleev/.html

«От античности до Эйнштейна»

“Как старший товарищ, я должен Вас отговорить от этой деятельности, поскольку, во-первых, Вы не преуспеете в этой деятельности и даже если Вы преуспеете, то Вам все равно никто не поверит”

Из письма Макса Планка Альберту Эйнштейну по поводу попытки Эйнштейна разрешить противоречия между Специальной теорией относительности и Ньютоновой гравитацией

С древнейших времен человечество всегда было очаровано понятиями Пространства (Небеса) и Времени (Начало, Изменение и Конец). Ранние мыслители, начиная от Гаутамы Будды, Лао Цзы и Аристотеля, активно обращались к этим понятиям. За столетия, содержание рассуждений этих мыслителей, выкристаллизовала в человеческом сознании те мысленные образы, которые мы теперь используем в нашей повседневной жизни. Мы думаем о пространстве, как о трехмерном континууме, окутывающем нас. Мы представляем время, как длительность любого процесса, никак не затронутая силами, действующими в физической вселенной. А вместе они образуют сцену, на которой развивается вся драма взаимодействий, актерами которой является все остальное - звезды и планеты, поля и материя, Вы и я.

В течение более тысячи лет, четыре книги по физике, написанные Аристотелем, обеспечивали фундамент для естественных наук. В то время как Гераклит полагал, что Вселенная находится в бесконечном развитии и все процессы в ней никогда не начинались и никогда не закончатся, Парменидес учил, что само понятие движения не совместимо с тем, кем является Единый, Непрерывный и Вечный. Аристотель включил обе этих идеи в свою космогоническую систему. Все изменения были теперь связаны с Землей и Луной, поскольку эти изменения были очевидны. Неизменность была перенесена на другие планеты, солнце и звезды, потому что они являлись Прекрасными, Неизменными и Вечными. Говоря современным языком, можно утверждать, что Аристотель оперировал абсолютным временем, пространством с абсолютной структурой и все это обеспечивалось изменяющейся Землей. Эти понятия лежали в основе истинного, на то время, восприятия и описания мира, которому в 1661 - 1665 годах, будучи студентом Кембриджа, обучался Исаак Ньютон.

Двадцать лет спустя, Ньютон опрокинул эти, столетия существовавшие догмы. Опубликовав в 1686 году свое видение окружающего мира, он обеспечил новое понимание окружающей нас Вселенной. Согласно его принципам, время оказалось подоконником, подставленным под размерный континуум. Оно по-прежнему являлось абсолютным и одинаковым для всех наблюдателей. Все одновременные события составили трехмерный пространственный континуум. Таким образом, в его рассуждениях исчезла абсолютная структура пространства. Благодаря урокам Коперника, Земля была отстранена от своего привилегированного положения во Вселенной. Галилеева относительность с математической точностью поместила всех инерциальных наблюдателей на одну физическую платформу. Ньютоновы принципы разрушили Аристотелеву ортодоксальность, отменяя различия между небесами и Землей. Небеса более не были неизменными. Впервые в физике возникли универсальные принципы. Яблоко, падающее на землю и планеты, движущиеся по своим орбитам вокруг Солнца, были теперь подчинены одним и тем же законам. Небеса больше не были столь таинственны, поскольку подлежали осознанию человеческим разумом. Уже в начале 1700-х годов на Слушаниях Королевского Общества Великобритании стали появляться работы, предсказывающие не только движение Юпитера, но и движение его лун! Неудивительно, что в то время отношение к Ньютону было наполнено не только скептицизмом, но и страхом и не только со стороны непрофессионалов, но и со стороны ведущей европейской интеллигенции. Например, маркиз де-Лопиталь, известный современным студентам своим правилом вычисления пределов, писал из Франции к Джону Арбатноту (John Arbuthnot) в Англию относительно Ньютона и его Принципов следующее:

- Мой Бог! Какие основы знания являются нам в той книге? Он ест и пьет и спит? Походят ли на него другие мужчины?

Как выразился Ричард Вестфолд в своей, весьма авторитетной биографии Ньютона ”Никогда в покое”:

- До 1687 года Ньютон был едва ли известным человеком в философских кругах. Однако, ничто не подготовило мир натуральной философии к появлению его Принципов. Принципов, ставших поворотным моментом и для самого Ньютона, который после двадцати лет исследований, наконец, следовал от свершения к свершению. Принципов, ставших поворотным моментом для естественной философии.

Ньютоновы принципы стали новой ортодоксальностью и безраздельно властвовали на протяжении более чем 150 лет. Первый вызов ньютоновскому пониманию мира был брошен в совершенно неожиданной области физики и был связан с развитием понимания электромагнитных явлений. В середине 19-го столетия шотландский физик Джеймс Кларк Максвелл достиг удивительного синтеза всех накопленных знаний в этой области, записав свои четыре знаменитых векторных уравнения. Эти уравнения в дальнейшем обеспечили понимание особой значимости скорости света. Но в то время, понять это было невозможным. Абсолютная скорость передачи взаимодействия с очевидностью противоречила принципу относительности Галилея, являвшемуся краеугольным камнем Ньютоновой модели пространства-времени. К тому времени большинство физиков безоговорочно верили в истинность Ньютонова мира и потому пришли к выводу, что уравнения Максвелла могут выполняться только в определенной среде, названной эфиром. Но, делая подобные утверждения, они невольно возвращались назад к Аристотелю, утверждавшему, что Природе свойственна абсолютная структура пространства. И в таком состоянии эта проблема просуществовала в течение приблизительно 50 лет.

И вот 26-летний Альберт Эйнштейн публикует свою знаменитую работу “К электродинамике движущихся сред”. В этой работе Эйнштейн принял истинность значения констант, содержавшихся в уравнениях Максвелла, и, используя простые мысленные эксперименты, ясно показал, что скорость света - универсальная постоянная, сохраняющая свое значение для всех инерциальных наблюдателей. Он показал, что понятие абсолютной физической одновременности несостоятельно. Пространственно разделенные события, кажущиеся одному наблюдателю одновременными, не являются таковыми для другого наблюдателя, движущегося относительно первого с постоянной скоростью.

Стало понятно, что Ньютонова модель пространства-времени может быть только приближением, справедливым в случае, когда рассматриваемые скорости много меньше, чем скорость света. Возникла новая модель пространства-времени, включающая в себя новый принцип относительности, называемая Специальной Теорией Относительности. Эта теория имела в свое время революционное значение. Согласно ей время потеряло свое абсолютное положение в физике. Абсолютным стал четырехмерный континуум пространства-времени. Расстояния в четырехмерном пространстве-времени между событиями хорошо определены, но только временные или только пространственные интервалы между событиями стали зависеть от выбора системы отсчета, то есть, от скорости движения одного наблюдателя, относительно другого. Новая теория давала необычные, эффектные предсказания, которые в то время было трудно воспринимать. Энергия и масса потеряли свою уникальность и могли быть преобразованы друг в друга, согласно известной формуле E=mc2. Тут следует заметить, что данное соотношение впервые появилось в 1895 году в работе Анри Пуанкаре “Об измерении времени”, опубликованной в парижском философском журнале и поэтому не привлекшей к себе внимания физиков, но свое нынешнее значение она приобрела после работы Эйнштейна. Представьте, энергия, содержащаяся в грамме материи, могла освещать целый город в течение года. Близнец, оставивший сестру на Земле и движущийся на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, возвратившись, обнаружил бы, что его сестра постарела, по сравнению с ним, на несколько десятилетий. Столь неожиданными были эти предсказания, что множество ученых в ведущих университетах, утверждали, что данная теория не может быть жизнеспособной. Однако все они ошибались. Ядерные реакторы работают на Земле и звезды сияют в небесах, преобразуя массу в энергию, точно соответствуя формуле E=mc2. В лабораториях больших энергий, неустойчивые частицы, ускоренные до околосветовых скоростей, живут в десятки и сотни раз дольше, чем их близнецы, покоящиеся на земле.

Однако, несмотря на всю революционность СТО, один аспект пространства-времени оставался Аристотелевым. Оно оставалось пассивной ареной для всех событий, холстом, на котором пишут свою картину движущие силы Вселенной. В середине 19-го столетия математики выяснили, что геометрия Эвклида, которую мы все изучали в школе, является одной из возможных геометрий. Это приводило к идее, наиболее прозрачно сформулированной Рихардом Риманом в 1854 году. Он говорил, что геометрия физического пространства, возможно, не подчиняется аксиомам Эвклида, а может быть искривлена из-за присутствия материи во Вселенной. В его идеях пространство перестало быть пассивным и изменялось материей. Потребовался еще 61 год, что бы эта идея была востребована.

Таким великим событием стала публикация Эйнштейном в 1915 году своей Общей Теории Относительности. В этой теории пространство-время приняло форму четырехмерного континуума. Геометрия этого континуума искривлена, а степень искривления моделирует гравитационные поля в самом континууме. Пространство-время перестало быть инертным. Оно действует на материю, и материя действует на него. Как говорил известный американский физик Джон Уиллер:

- Материя говорит пространству-времени, как искривляться и пространство-время говорит материи как двигаться.

Нет больше никаких зрителей в космическом танце, ни фона, на котором развиваются все события. Сама сцена присоединилась к группе актеров. Это глубочайшее изменение мировоззрения. Поскольку все физические системы находятся в пространстве-времени, подобное изменение мировоззрения сильно встряхнуло все основы натуральной философии. Потребовались долгие десятилетия, что бы физики примирились с многочисленными приложениями этой теории и философы достигли соглашения с новым пониманием мира, которое вырастало из Общей Теории Относительности.

Гравитация есть геометрия

“Это как будто бы стена, отделяющая нас от правды, разрушилась. Более широкие пространства и бездонные глубины открылись ищущему знания глазу, области, о существовании которых мы не имели даже представления”

Герман Вейль “Общая теория относительности”

Можно полагать, что при написании своей работы Эйнштейн, по-видимому, был вдохновлен двумя достаточно простыми фактами. Во-первых, универсальностью гравитации, что было продемонстрировано еще Галилеем в своих известных экспериментах на наклонной Пизанской башне. Гравитация универсальна, поскольку все тела с башни падали одинаково, если на них действовала только гравитационная сила. Во-вторых, гравитация всегда проявляет себя как притяжение. Это ее свойство сильно отличает ее, например, от электростатической силы, описываемой таким же по форме законом, что и закон всемирного тяготения и проявляющей себя в зависимости от вида взаимодействующих зарядов и как притяжение и как отталкивание. В результате, в то время как электростатическая сила может быть экранирована и достаточно легко создать области, в которых она действовать не будет, гравитация экранирована не может быть принципиально. Таким образом, гравитация является вездесущей и действует на все тела одинаковым образом. Эти два факта говорят о сильном отличии гравитации от других фундаментальных взаимодействий и наводят на мысль, что гравитация - есть проявление чего-то более глубокого и универсального. Поскольку пространство-время так же вездесуще и универсально, Эйнштейн предположил, что гравитация проявляет себя не в качестве силы, а в качестве искривления геометрии пространства-времени. Пространство-время в Общей Теории Относительности податливо и может моделироваться двумерным резиновым листом, прогнутым массивными телами. Например, Солнце, будучи тяжелым, сильно искривляет пространство-время. Планеты, так же как и все тела, падающие на Земле, движутся по “прямым” траекториям, но только в кривой геометрии. В точном математическом смысле, они следуют по кратчайшим траекториям, названным геодезическими линиями - это обобщения прямых линий плоской геометрии Эвклида на кривую геометрию Римана. Итак, если мы рассматриваем искривленное пространство-время, например Земля, будет выбирать в таком пространстве оптимальную траекторию, являющуюся полным аналогом прямой. Но, поскольку пространство-время искривлено, в проекции на плоское пространство Эвклида и Ньютона, эта траектория окажется эллиптичной.

Рис.1 Планетарное движение в Общей Теории Относительности (представление художника). Тяжелые тела, вроде нашего Солнца, искривляют пространство-время. Планеты в этой кривой геометрии идут по "прямым" (геодезическим) линиям. В плоской перспективе Ньютона - Эвклида те же орбиты оказываются эллиптическими, сформированными под действием вечно притягивающей к Солнцу гравитацией.

Привлекательность Общей Теории Относительности заключена в том, что она, используя изящную математику, преобразовала эти концептуально простые идеи в конкретные уравнения и использует эти уравнения, что бы сделать удивительные предсказания о природе физической действительности. Она предсказывает, что часы должны идти быстрее в Катманду, чем в Ялте. Галактические ядра должны действовать, как гигантские гравитационные линзы и показывать нам захватывающие, многократные изображения удаленных квазаров. Две нейтронные звезды, вращающиеся вокруг общего центра, должны терять энергию вследствие ряби в искривленном пространстве-времени, вызванной их движением по спирали, сходящейся к единому центру с последующим их столкновением. За последнее время было проведено множество экспериментов для проверки этих и еще более экзотических предсказаний. И каждый раз Общая Теория Относительности одерживала победу. Точность же некоторых экспериментов превышала точности легендарных опытов по обнаружению кванта электромагнитного поля. Эта комбинация концептуальной глубины, математической элегантности и наблюдательных успехов просто беспрецедентна. Это то, почему Общая Теория Относительности, с одной стороны, расценивается как одна из самых возвышенных физических теорий, и с другой стороны, вызывает немалый интерес, как объект всевозможной и далеко не всегда профессиональной критики.

Большой взрыв и черные дыры

“Физики преуспели великолепно, но при этом показали ограниченность интуиции, лишенной помощи математики. Они обнаружили, что понимание Природы продвигается очень тяжело. За научный прогресс пришлось заплатить уничижительным признанием, что действительность построена так, что бы не быть легко охваченной человеческим восприятием”

...