3. Концепции современного естествознания: Под ред. проф. С.И. Самыгина – Ростов н/Д: Просвещение, 2001. – 576 с.

4. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков В.М. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ Под ред. проф. В.А. Скоробогатова. – СПб.:

Союз, 2000. – 320 с.

5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Гардарики, 2002. –

476с.

6.Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц: Учебное пособие – М.: Просвещение, 1984. – 384 с.

Г Л А В А 3

КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические, биологические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и длительностей, т. е. пространственно-временных

характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени. Сделаем краткий экскурс в историю вопроса.

3.1. Основные этапы развития представлений о пространстве и времени.

В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. Выдающийся английский учёный И.Ньютон (1643–1727) создал физическую картину мира, которая на протяжении двух с половиной столетий господствовала в науке (ньютоновская теория пространства и времени). Основные положения теории пространства и времени изложены Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии» («Начала»). По Ньютону пространство и время абсолютны. Абсолютное пространство существует независимо от времени и независимо от наполняющей его материи. Ньютон писал: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остаётся всегда одинаковым и неподвижным». В пространстве нет ни выделенных точек, ни выделенных направлений, т. е. оно однородно и изотропно.

Ньютон дал следующее определение времени: «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чемулибо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Абсолютное время – идеальная мера длительности всех механических процессов. Как мы не наблюдаем истинно равномерного движения из-за трения

или других причин, так и измерить время можно только приближаясь к истинному, математическому, входящему в уравнения. Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов, и в частности, что точка отсчёта начала времени не имеет значения. Длительность процессов от этого не меняется.

Положение материальной точки в пространстве определяется заданием трёх координат, например, широты, долготы и высоты. Это означает, что пространство трёхмерно. Древнегреческий учёный Евклид (ок. 330–275 до н. э.) в работе «Начала» построил геометрию трёхмерного пространства, известную в научном мире как евклидова геометрия. Древнегреческий учёный К.Птолемей (ок. 90 – ок. 160) в своём главном труде «Альмагест» уделил особое внимание трёхмерности пространства, утверждая, что в природе не может быть более трёх пространственных измерений. Для определения положения тел в пространстве французский учёный Р.Декарт (1596–1650) ввёл прямоугольную систему координат («декартовы координаты») – x, y, z.

Вопрос о том, почему мы способны воспринимать только пространство трёх измерений, интересовал многих учёных. Австрийский физик П.Эренфест (1880–1933) в 1917 году исследовал этот вопрос специально и показал, что «закон обратных квадратов», по которому действуют друг на друга точечные гравитационные массы и электрические заряды, обусловлен трёхмерностью пространства. В пространстве п измерений точечные частицы взаимодействовали бы по закону обратной степени (п – 1). Поэтому для п = 3 справедлив закон обратных квадратов. Он показал, что при п = 4, что соответствует закону

обратных кубов, планеты двигались бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах при числе измерений, большем трёх, также не существовало бы устойчивых орбит, т. е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трёхмерности пространства с законом тяготения указывал ещё и И.Кант (1724–1804).

Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия – мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстояние через пустое пространство без помощи материи. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов и послужили обоснованием абсолютности пространства, существующего независимо от времени.

Ньютоновская теория дальнодействия и его схема мира господствовала до начала ХХ века. Впервые её ограниченность обнаружили английские физики М.Фарадей (1791–1867) и Дж.Максвелл ещё в XIX веке, показав неприменимость её к электромагнитным явлениям. Ими было установлено, что распространение взаимодействия происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал А.Эйнштейн (1879–1955), с развитием электродинамики и оптики становилось всё очевиднее, что «недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы». Из электромагнитной теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и

существования электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля.

Итак, в физике XIX века появляется новое понятие – «поле», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона». Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырёх уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов (подробно об этом сказано в разделе данного пособия, посвящённом электромагнитной теории Максвелла).

В 1905 году Эйнштейн в работе «К электродинамике движущихся тел» изложил основы теории, впоследствии получившей название специальной теории относительности, в которой показано, что пространство и время взаимозависимы. В 1907 году немецкий математик Г.Минковский (1864–1909) высказал предположение о тесной связи трёх пространственных и одной временной координат. По его мнению, все события во Вселенной происходят в четырёхмерном пространственно-временном континууме. Он писал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен ещё сохранить самостоятельность». Итак, пространство и время тесным