Свойства пространства и времени

Размещено на http://www.allbest.ru

Оглавление

• Введение
• 1. Что такое пространство и время
• 2. Развитие представлений о пространстве и времени
• 3. Общие и специфические свойства пространства и времени
• Вывод
• Список литературы
• Введение

Когда говорят, что все явления природы и процессы происходят в пространстве и времени, подразумевают при этом, что для их описаний требуется указание места, где они происходят, и времени, когда происходят. Реальное физическое пространство, принимается трехмерным, а время - одномерным.

Пространство и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время - порядок смены явлений. Пространство и время - основные понятия всех разделов физики. Они играют главную роль на эмпирическом уровне физического познания - непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит в фиксации пространственно-временных соотношений. Категории пространства и времени служат также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные. Обеспечивая отождествление и различение (индивидуализацию) отдельных фрагментов материальной действительности, пространство и время имеют решающее значение для построения физической картины мира.

Время связано с обычной, повседневной жизнью, оно непосредственно доступно нашему сознанию, формирует наши ощущения, взгляды, язык. В житейском понимании время воспринимается как поток, переход из прошлого в будущее, переносящий наше «теперь» и «сейчас» в другой мир.

Обычно под пространством мы понимаем некую протяженную пустоту, в которой могут находиться какие-либо предметы. Однако между небесными телами всегда имеется некоторое количество вещества, поэтому в науке пространство рассматривается не как вместилище материи, а как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой.

Все мы существуем и движемся в пространстве и времени независимо от нашей воли, вся наша жизнь - это путешествие в трех измерениях пространства и едином времени. Однако хорошо ли мы понимаем, что есть пространство и время?

Знакомы ли нам их свойства? Осознаем ли мы эти категории или просто бездумно плывем по течению жизни?

Целью данного реферата является ознакомление со свойствами пространства и времени. Основные задачи данного реферата заключаются в следующем: изучить понятия «пространство» и «время», рассмотреть различные представления о пространстве и времени, познакомиться с основными и специфическими свойствами пространства и времени.

пространство время трехмерность однонаправленность

1. Что такое пространство и время?

Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение, структурность и протяженность отдельных элементов материи относительно друг друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений. Характеристиками пространства считались однородность - одинаковость свойств во всем пространстве и изотропность - независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т.е. любой процесс в принципе повторим через некоторый промежуток времени. С этим свойством связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одномерное и идущее в одном направлении - от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.

Таким образом, пространство есть всеобщая объективная форма существования материи, являющаяся необходимым условием возникновения и движения конкретных материальных систем. Понятие «пространство» выражает:

- взаимное расположение материальных систем (объектов) впереди, позади, вне, внутри, около, далеко, близко и т. д.;

- способность их занимать определенный объем, иметь протяженность - длину, ширину и высоту;

- свойство материальных объектов иметь определенную форму, структуру.

Для определения положения в пространстве необходимо задать три координаты - широту, долготу и высоту. Это означает, что пространство трехмерно. Евклид построил геометрию трехмерного пространства, известную научном обиходе как евклидова геометрия. Для определения положения в пространстве Р. Декарт ввел прямоугольную систему координат -x,y,zДубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах: учеб. пособие. Стр. 69..

«Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься -- и вот я уже не знаю, что есть время», -- слова, сказанные много веков назад Августином Блаженным, верны и в наши дни. Но это не значит, что над сущностью времени не надо вообще задумываться. И на пороге нового тысячелетия мы подводим итоги своих знаний о природе времени, чтобы затем вновь отправиться в путешествие сквозь годы, познавая суть времени все лучше и все глубже.

Время есть всеобщая объективная форма существования движущейся материи, являющаяся необходимым условием возникновения и изменения конкретных материальных систем и выражающая структурность, темп и длительность материальных процессов, и объективную последовательность событий. Следовательно, понятие «время» выражает также всеобщее свойство таких материальных систем и процессов, как:

- длительность существования предметов, систем и развития их отдельных фаз, сторон, ступеней и т.д.;

- порядок следования и смена состояний, известная последовательность процессов (до, после, одновременно и т.п.).

Несмотря на отдельное описание их свойств, пространство и время - это не самостоятельные сущности, а коренные формы бытия, существования движущихся материальных систем. Пространство и время представляют собой формы, в которых проявляется активность материи. Им присущи такие всеобщие свойства, как объективность, безграничность и бесконечность, единство абсолютности и относительности, прерывности и непрерывности. Так, например, они абсолютны в том смысле, что составляют всеобщие условия всякого бытия, они относительны, потому что в своих конкретных свойствах зависят от состояния движущейся материи.

Несмотря на наличие общих свойств, пространство и время имеют свою специфику, а в ряде существенных свойств они различны. Пространство трехмерно и обладает свойством симметрии, а время - одномерно и однонаправленно, течет от прошлого к настоящему и от него к будущему. В одномерном времени, его необратимости выражен непосредственный характер связи между меняющимися состояниями материальных объектов. А также охарактеризована общая тенденция следования одних материальных явлений за другими; переход от низших форм к высшим, от простых к более сложным системным образованиям.

Пространство есть единство бесконечного и конечного. Бесконечность пространства проявляется абсолютным характером движущейся материи, отсутствием каких - либо конечных, застывших состояний, неисчерпаемостью в структурном отношении и качественными превращениями материи. Бесконечность времени состоит в том, что материя вечна в прошлом и будущем, что время - это всеобщая форма существования бесконечной материи.

Конечность пространства выражается в прерывности движения, дискретности и дифференцированности материальных систем. Точно так же время складывается из бесконечного множества длительностей существования отдельных материальных систем, где протекают необратимые процессы.

В физике теория пространства и времени с метафизических позиций была основана Ньютоном. Он различал абсолютные и относительные пространство и время. Относительные пространство и время - это чувственно воспринимаемые зависимости между материальными телами, абсолютные - это математические пространство и время, которые независимы от материи, друг от друга и составляют пустые вместилища для материи. Тела, находясь в пространстве и двигаясь в нем, не взаимодействуют с ним. Пространство, по Ньютону, является абсолютной системой отсчета и остается всегда неподвижным, однородным, обладает всюду, во всех точках и направлениях одинаковыми геометрическими свойствами. Время Ньютон определял как чистую длительность и считал, что оно, также как пространство, служит абсолютной системой отсчета, благодаря чему якобы становится возможным изменение во времени тех или иных реальных процессов, происходящих в пустом пространстве. Но эти реальные процессы, происходящие во времени, не взаимодействуют с абсолютным временем. Это был метафизических взгляд на пространство и время применительно к механическим процессам Гусейханов М.К. Концепции современного естествознания: Учебник. Стр. 70- 72.. О том, как развивались дальнейшие представления и целостная картина представлений о пространстве и времени самых изящных умов разных эпох будет сказано в следующем разделе.

2. Развитие представлений о пространстве и времени

Для обыденного сознания характерно традиционное представление о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, даже если бы эта материя исчезла. Такой взгляд приводил в прошлом к концепции абсолютного пространства и времени, получившей наиболее отчетливую формулировку в труде Ньютона «Математические начала натуральной философии». Здесь пространство и время определялись как две самодовлеющие сущности, существующие вне и независимо от каких-либо материальных процессов.

Лукреций в своей поэме «О природе вещей» говорил, что не существует времени самого по себе, вне движения и покоя тел. Первоначально понятие пространства как бесконечной пустоты и условия для движения тел, фигурировавшее в атомистике Демокрита, постепенно вытеснялось пониманием пространства как протяженности вещества и эфира. Гипотеза эфира как всепроникающей небесной субстанции использовалась еще Аристотелем, но в физике Нового времени стала исходным принципом волновой природы света и учения об электричестве.

Создание в первой половине XIX в. Н. Лобачевским, а затем Б. Риманом неевклидовой геометрии устранило один из основных доводов в пользу ньютоновской концепции пространства и времени - наличие только одной Евклидовой геометрии. Так, геометрия, созданная Н. Лобачевским, отражает новые, неизвестные ранее, свойства пространства. Она исходит из материалистического принципа зависимости геометрических свойств пространства от материи, от происходящих материальных процессов. Идеи Лобачевского значительно подорвали метафизическое представление об однородности и абсолютности пространства. Тем самым Лобачевский показал, что пространственные формы присущи самому объективному миру и что геометрические положения отражают свойства реального пространства, имеют опытное происхождение. Идеи Лобачевского получили свое дальнейшее развитие в теории относительности А. Эйнштейна.

Эйнштейн говорил: «Пустого пространства, т.е. пространства без поля, не существует. Пространство и время существуют не сами по себе, а как структурное свойство поля». Энгельс в «Анти-Дюринге» (1876 г.) писал: «Основные формы всякого бытия есть пространство и время». И в «Диалектике природы»: «Эти две формы существования материи есть ничто». Пространство и время объединялись еще до Ньютона кембриджскими неоплатониками (единая сущность) и после Ньютона до Эйнштейна -- в теории Гамильтона. Огромен вклад, который внесла теория относительности, развитая Эйнштейном.

Возникает вопрос: сохранило ли определение Энгельса свою силу после революционных открытий XX в.? Специальная теория относительности (СТО) показала ошибочность представления о существовании абсолютного пространства и абсолютного времени. Общая теория относительности (ОТО) выявила, что геометрия пространства-времени -- не Евклидова, а Риманова. Определение Энгельса, которое не включало ни утверждения о существовании абсолютного пространства и абсолютного времени, ни утверждения о соответствии Евклидовой геометрии структуре пространства и времени, значит, не устарело и сохранило свое значение до настоящего времени. Более того, великие открытия Эйнштейна подтвердили правильность определения пространства и времени как формы существования движущейся материи. Согласно теории относительности Эйнштейна, время и пространство существуют сами по себе и находятся в прямой неразрывной связи с движущейся материей. Теория относительности, которая включает в себя частную и общую теорию относительности, вскрыла конкретные формы органичной взаимосвязи пространства и времени. Установила их зависимость от распределения и движения материи, показав тем самым, что пространство и время не существуют отдельно друг от друга и от материи и что они не являются абсолютными в смысле классической физики. Это означает, что определение Энгельса опередило уровень естествознания XIX в., так как включает в себя зависимость пространства и времени от материального движения, что противоречило ньютоновской концепции, но подтверждало эйнштейновскую Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: курс лекций. Стр. 239-240..

3. Общие и специфические свойства пространства и времени

Из свойств материи быть объективной реальностью следует объективность пространства и времени.

Второе свойство -- абсолютность. Третье -- относительность. Четвертое общее свойство пространства и времени -- бесконечность, вытекающая из признания бесконечности материального мира. Пространство и время существуют вне и независимо от сознания человека, т.е. они объективны. Свойство абсолютности вытекает из признания тезиса о том, что бытие вне времени есть такая же бессмыслица, как и бытие вне пространства. Человеческие представления о пространстве и времени относительны. Из этих относительных представлений складывается абсолютная истина, эти относительные представления, развиваясь, идут по линии абсолютной истины, приближаясь к ней.

Так как существуют различные толкования понятия формы в отношении пространства и времени к движущейся материи, нет единодушия по поводу того, какие свойства пространства и времени имеют универсальный характер. Выяснение универсальных свойств пространства и времени связано с большими трудностями и предельными экстраполяциями всеобщих законов движения материи. Всякие суждения на этот счет отражают существующий уровень наших знаний и могут претерпевать существенные изменения в будущих теориях в соответствии с диалектикой абсолютного и относительного в научном познании. Познание развивается по линии преемственности объективных истин и интеграции достоверного содержания научных теорий. Многие современные теории об общих свойствах пространства и времени, проверенные и подтвержденные практикой и системой доказательств современной теории, сохранят свое значение и в будущей научной картине мира.

Пространство и время имеют не только общие характеристики, но и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи.

Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических условий.

В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров. Наглядным примером пространственных симметрий физических систем является кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов -- закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения. Например, как следует из математического моделирования, процесс взаимодействия свободного электрона с изотопами кристаллической решетки имеет симметричный характер.

Из сформулированного принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Из свойства симметрии пространства -- его однородности следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сила равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы -- закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. Стр. 106-107..

Наряду с вышеперечисленными свойствами, к наиболее общим свойствам пространства и времени относят:

- структурность;

- протяженность;

- трехмерность пространства;

- одномерность, однонаправленность и необратимость времени.

Однако единого мнения о действительности этих свойств у ученых нет, так как условия изучения пространства и времени иные, чем других понятий и нам знаком только единственный вид пространства -- пространство трех измерений, в котором протекает наша жизнь, существуют наше тело, наша Земля, наша звездная система. Чем ограничено наше пространство и время и каков характер этого ограничения -- на этот вопрос пока нет материала для ответа. Проблема была бы намного проще, если бы существовала только одна форма пространства и времени, как предполагали представители механистического материализма. Но диалектический подход к рассмотрению пространства и времени, основанный на достижениях современного естествознания, заставляет сомневаться в правильности такого взгляда и приводит к гипотезе существования многих форм пространства и времени. В этих условиях определение общих свойств пространства и времени превращается в сложную проблему. В представлениях пространства- времени еще очень много неясного, порождающего многочисленные дискуссии ученых:

Почему наше пространство имеет три измерения? Могут ли существовать многомерные миры? Может ли время течь в обратном направлении? Реально ли четырехмерное пространственно - временное многообразие теории относительности? Могут ли существовать материальные объекты вне пространства и времени?

Эти и многие подобные вопросы ставятся на повестку дня современного естествознания. Углубленное изучение этих вопросов показало, что они связаны с фундаментальными свойствами бытия и важны для нашего мировоззрения. Критерий неадекватности пространственно-временного описания создает целый комплекс проблем, связанный с поиском тех положений, которые могли бы быть выбраны и использованы как критерий выбора пространственно-временных моделей. В настоящее время во многих отраслях современного естествознания назревает необходимость нового изменения пространственно-временных представлений, столь же радикального, как и то, которое возникло после создания теории относительности.

Вывод

Пространство и время - фундаментальные и одновременно самые мало изученные понятия концепции современного естествознания. Чем больше человечество пытается проникнуть в их суть, тем с большим количеством загадок сталкивается. Все знания, накопленные нами о пространстве, времени и их свойствах это тайны поверх новых тайн. Представления о времени и пространстве много раз менялись, благодаря открытиям таких великих ученых как Ньютон, Лобачевский, Эйнштейн и неизвестно, сколько открытий еще будет сделано в будущем.

На сегодняшний же день, можно заключить следующее: с точки зрения современного естествознания и соответствующих философских обобщений объективная реальность представляет собой нераздельное единство пространства, времени и движения. Пространство и время - есть формы существования материальных тел. Пространство - это такая форма бытия материи, которая выражает сосуществование и отделенность вещей друг от друга, их протяженность, порядок расположения относительно друг друга, структурность, взаимодействие. Время - это такая форма бытия материи, которая выражает последовательность развертывания материальных процессов, отделенность друг от друга разных стадий этих процессов, их длительность и отношения между длительностями. В качестве основных свойств пространства и времени следует выделить бесконечность, безграничность и неисчерпаемость их, трехмерность, обратимость, однородность, непрерывность, изотропность (одинаковость протекания процессов в одних и тех же условиях) пространства, одномерность, однонаправленность и необратимость времени.

Список литературы

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах [Текст]: учеб. пособие, 2-е изд., испр. и доп. - Новосибирск: Сиб.унив. изд-во, 2005. - 592с. - (Университетская серия).

2. Гусейханов М.К. Концепции современного естествознания [Текст]: Учебник / М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. - 7-е издание., перераб. и доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и Ко», 2010. - 540с.

3. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: курс лекций [Текст] / Изд. 4-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2005. - 480с. - (Высшее образование).

4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания [Текст]: Учебник для вузов. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. - 520с.

Размещено на Allbest.ru