Глава 2

ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЕ

2.1. Понятия пространства и времени

Механическое движение можно определить и как изменение положения тела в пространстве с течением времени. Ключевыми словами в этом определении являются слова «пространство» и «время». Что представляют собой эти понятия? Понятия пространства и времени являются основными, исходными понятиями, неопределяемыми через другие, более простые понятия. Они являются не только важнейшими философскими категориями, обозначающими формы существования материи, но и фундаментальными понятиями физики, так как все физические процессы и явления протекают в пространстве и времени. Пространство и время являются необходимыми формами бытия всех материальных систем и процессов.

Понятие пространства возникло из представления о протяженности тел и их взаимного расположения. Пространство есть форма бытия материи, характеризующая ее протяжённость, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Пространство выражает сосуществование, протяженность и структурность любых взаимодействующих объектов.

Понятие времени возникло из представления о длительности материальных процессов, их свойстве следовать друг за другом в определенной последовательности и развиваться по этапам и стадиям. Время характеризует последовательность смены состояния и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь изменяющихся и сохраняющихся состояний.

Все структурно разделенные объекты материального мира находятся в движении и развитии, представляют собой процессы, которые развертываются по определенным этапам, в них можно выявить сменяющие друг друга стадии. Смена этих стадий может характеризоваться определенной повторяемостью. Одна стадия может наступать быстрее, чем другая, т.е. характеризоваться понятием длительности. Сравнение различных длительностей может стать основой количественных мер, выражающих скорость развертывания процессов, их темп и ритм. Если рассмотреть отношения длительностей как некоторые самостоятельные признаки процессов, то получим представление о времени как таковом. Представление о времени и само это понятие имеют смысл лишь постольку, поскольку мир находится в состоянии движения и развития. Если бы материя была бы вне движения, понятие времени не имело бы смысла. Для того чтобы провести отсчет времени, используется какой-либо квазипериодический (повторяющийся в некоторых основных чертах) процесс, который принимается за эталон, и с ним сопоставляются непериодические, более сложные процессы.

Таким образом, пространство и время – это формы существования движущейся материи. Можно сказать, что пространство – это фон, на котором располагается материя, заключенная во Вселенной. Материя существует в пространстве и времени. Не существует материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе вне материи и/или независимо от нее.

По Ньютону, пространство – независимо существующая субстанция, в которой могут перемещаться материальные тела. Каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией. Определить положение тела в пространстве можно только относительно системы объектов, называемых телами отсчета.

Зависимость пространства и времени от материи определяет и все их основные свойства. При этом следует подчеркнуть, что хотя они в равной степени есть формы существования материи, однако между ними есть и различия. Поэтому они имеют ряд свойств, как общих, так и отличающих их друг от друга.

Первое общее свойство – объективность. Пространство и время, как и материя, существуют вне и независимо от нашего сознания. Второе свойство – абсолютность. Вследствие вечности существования материи, вечны пространство и время. Невозможно такое положение, когда материя существовала бы или до того, как появились пространство и время, как после того, как они исчезли. Третье общее свойство пространства и времени – бесконечность и безграничность, вытекающая из признания бесконечности материального мира. В применении к пространству безграничность означает, что в каком бы направлении, и на какое бы расстояние ни двигаться, нигде и никогда мы не достигнем такой границы, которую можно считать пределом. Бесконечность пространства проявляется в том, что как бы велики не были размеры системы, всегда найдется такая система большего порядка, которая будет включать в себя первую систему в качестве одного из своих элементов. Относительно времени понятия безграничность, и бесконечность проявляется в отсутствии событий, после которых уже не будет никакой длительности, не будет неисчислимого количества процессов, следующих один за другим. Четвертое общее свойство – относительность. Это означает, что моменты времени и пространственные координаты любого события всегда отсчитываются от некоторого другого события, принимаемого за начало отсчета. Именно поэтому всегда требуется указывать, откуда ведется счет времени и расстояния. Еще одно общее свойство пространства и времени – внутренняя противоречивость.

Пространство и время имеют не только общие характеристики, но и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени. Специфическим свойством пространства является его трехмерность. Она выражается, во 1-х, в том, что тело в пространстве может перемещаться в любом направлении: вверх, вниз, вправо, влево, вперед, назад. Во 2-х, все материальные тела обладают трехмерной пространственной формой – протяженностью в длину, ширину и глубину. Математически трехмерность пространства выражается во взаимно-однозначном соответствии межу его точками и тройками чисел – их координатами в заданной произвольной системе координат. Пространство трехмерно, так как необходимо три числа (долгота, широта и высота), чтобы зафиксировать положение точки относительно системы отсчета. Тело в трехмерном пространстве может простираться в трех различных (взаимно перпендикулярных) направлениях. Чтобы охарактеризовать положение точки на прямой с помощью координат, необходимо задать одно число, на плоскости – два, для описания положения в пространстве – три числа. Точка, находящаяся в пространстве, имеет три степени свободы, поэтому мы и говорим о трехмерном пространстве. Время, в отличие от пространства, одномерно. Это означает, что если задано начало отсчета времени, то начало или конец какого-либо процесса, длина временного промежутка будут описаны одним числом, так как требуется только одно число, чтобы сказать раньше или позже происходит данное событие, чем то, которому соответствует число 0. Кроме того, время обладает свойством необратимости. Во времени невозможно движение вспять. Оно течет всегда и всюду в одном и том же направлении: от прошлого к настоящему, от настоящего к будущему. Об этом говорят как о «стреле времени». Время – направленный вектор от прошлого к будущему. Отсюда, кстати, следует необратимость во времени причинно-следственных связей. Из вышеуказанных свойств пространства и времени вытекает то, что пространство обладает свойствами симметрии, а время – асимметрично. Симметричность пространства выражается в том, что объекты, расположенные в одной части пространства, могут являться зеркальным отражением материальных объектов в другой части пространства относительно определенной линии. Имеет место и симметрия пространства относительно оси вращения его около произвольной точки. Симметрия пространства проявляется в Симметричной конфигурации различных материальных тел.

Эмпирические данные свидетельствуют, что в огромном интервале расстояний м физическое пространство с относительно хорошей точностью (зависящей от расстояния) описывается геометрией Евклида (является евклидовым).

Время, как и пространство, характеризует поведение системы. Любая система подвержена эволюции. В частности, система возникает, и можно в принципе за начало отсчета времени этой системы принять момент ее возникновения (t₁); момент исчезновения (t₂ > t₁) можно полагать окончанием собственного времени данной системы. В течение интервала (t₁, t₂) система проходит полный цикл эволюции. Таким образом, время можно считать мерой эволюции данной системы. Время, как уже отмечалось, обладает одной особенностью: оно направлено. Процесс возникновения системы всегда предшествует ее исчезновению, причина – следствию. Поэтому время можно условно полагать одномерным вектором, направленным из прошлого в будущее.

Пространство характеризует взаиморасположение точек системы. Поскольку это взаиморасположение изменяется во времени, то можно сказать: пространство есть также мера эволюции системы. В таком определении содержится сходство с определением времени. Подчеркнем, однако, и существенное различие между временем и пространством. Пространственные соотношения этим свойством не обладают. В них не содержится никакого аналога этого свойства времени. С математической точки зрения векторы АВ и ВА эквивалентны».

Пространственно-временное описание движения при помощи расстояний и промежутков времени возможно только если выбрана определенная система отсчета. Следует отметить, что пространство и время сами являются физическими объектами. Исследуя характер движения тел, мы тем самым изучаем и свойства пространства и времени. Тот факт, что движение происходит в пространстве и времени находит свое отражение в любом механическом законе, содержащем явно или неявно пространственно-временные характеристики – расстояния и промежутки времени.

В заключение этого параграфа отметим, что поскольку не существует материи без движения, то движение абсолютно. Исходя, однако, из того, что движение материи есть любое ее изменение, следует относительность движения, так как конкретное изменение происходит относительно чего-то. При механическом движении, например, перемещение одного тела, как уже говорилось, можно определить лишь относительно положения других тел. Следовательно, движение является единством абсолютного и относительного.

Следует отметить также, что время и пространство тесно взаимосвязаны между собой. То, что совершается в пространстве, происходит также и во времени, а то, что происходит во времени, находится в пространстве .