Урок материя пространство и время механическое движение. Материя, пространство, движение, время

В. И. Ленин

1. Понятие материи в истории философии и естествознания

Стремление понять, что есть окружающая нас объективная реальность, тянется еще от древних мыслителей, которые сводят ее до определенных первоначал: дао, Инь, Ян, пуруша.

Досократики, в частности Эмпедокл, выделяют конкретные вещественные первоначала: воду, огонь, землю, воздух или все их вместе. Последователь Эмпедокла (основатель научной медицины - Гиппократ) развивает учение о здоровье (ейкразію) и болезни (дискразію) как результат смешения четырех соков организма:

♦ крови - сангве - связанной с огнем (источник - сердце);

♦ слизи - флегмы - связанного с Землей (источник - мозг);

♦ желчи - схоле - связанной с воздухом (источник - печень);

♦ черной желчи - мелане схоле - связанной с водой (источник - селезенка).

Гиппократ был не только великим медиком, но и значительным философом. Он высказывал немало замечательных мыслей философского характера. В частности, Гиппократ понимал все объективно сущее как природу, что приближается к современному пониманию материи: «Все это - единая и не единая природа. Все это множество существ и одновременно одно естество» (Трактат «О еде» //Соч.- т. 2.- М. 1941.- С. 508)

Каждая из форм общественного сознания регулирует человеческую деятельность в некоторой области действительности с помощью присущих ей методов и средств.

У Платона же окружающий нас мир, воспринимаемый чувственно, носит вторичный, зависимый характер от высшего мира - мира абсолютных идей.

Но наибольшее влияние на последующую философию и всю науку имели взгляды Демокрита, по которому вся действительность состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов, движущихся в пустоте, соединяясь и разделяясь. Известный физик Г. Фейнман сказал в своей Нобелевской речи, что идея атомизме важнейшая во всем человеческом знании.

В Новое время разное понимание материи у материалистов и идеалистов. Объективный идеализм (Гегель) в общих чертах продолжает линию Платона, а субъективные идеалисты (Беркли, Юм) считают понятие материи фикцией, ошибкой, поскольку в мире не существует ничего, кроме ощущений.

Самым распространенным в Новое время становится понимание материи (вслед за Демокритом) как атомов - то есть как вещества (слово «материя» переводится с латыни именно как вещество). Возникает также понятие количества материи - массы, которая понимается как количество атомов. Такое понимание оказывается достаточно удовлетворительным до конца XIX в., к ряду открытий, сделанных в физике.

Первоначально было предусмотрено, а впоследствии экспериментально установлено существование электрона. Было открыто явление радиоактивного распада атомов (Беккерель), что сделало невозможным возведение материи до атомов. Эта невозможность еще усиливается после предсказания (Максвел) и экспериментального установления (Фарадей) существование электромагнитных полей, а потом и такой их разновидности, как рентгеновское излучение.

Еще парадоксальнее становится ситуация после создания А. Эйнштейном специальной теории относительности (СТВ), в которой показана зависимость массы от скорости. При этом возникает (при понимании массы как количества атомов) возможность трактовки изменения как изменения массы количества атомов.

Все эти открытия приводят к изменению картины мира - научной революции, одним из составляющих элементов которой становится изменение понимания того, что есть материя. Возникает необходимость понимание материи не только атомов, но и как всей объективной реальности. Такие взгляды высказывались и ранее, но не были распространены. Так, французские просветители понимают Вселенную как подвижную материю (Гольбах), а материю - как общую причину наших ощущений. Аналогично этому Фейербах понимает природу как систему разнокачественных тел, а Ф. Энгельс пишет: «Материальное воспринимается и познается».

Такое понимание материи как всей объективной реальности, которая не зависит от человека и познается ею как непосредственно (через ощущения), так и опосредованно через приборы и научные теории), становится наиболее приемлемым.

Как структурные уровни организации материи (специфические формы ее существования) сегодня выделяют неорганическую (неживую природу), органическую материю (живую природу) и социальную материю (человеческое общество).

Неживая природа в зависимости от размера делится на микромир (мир атомов и элементарных частиц), макромир (мир предметов, окружающих человека) и мегамир (мир планет, звезд, галактик). Особый интерес вызывает вопрос о строении материи вглубь - о возможных путях развития физики микромира. С логической точки зрения возможны следующие ситуации:

♦ будут обнаружены першоцеглинки - неделимые далее частицы, настоящие атомы (сейчас на эту роль претендуют кварки);

♦ першоцеглинок не существует, и делимость частиц бесконечна (так называемая глупая, или блошина бесконечность);

♦ окажется взаємоскладеність одна в одной всех элементарных частиц (бутстрап);

♦ винайдеться смыкания микромира и мегамира (так, В. Брюсов сказал: «быть может, эти электроны - миры, где пять материков…»);

♦ появится новая возможность, которую сегодня невозможно предусмотреть. Последний путь считают наиболее вероятным.

1. Движение

С древних времен и до настоящего времени философы считали важнейшим свойством материи движение, который рассматривался как способ ее существования.

Представление о всеобщность движения возникает одновременно с философией. Древнеиндийские Веды утверждали, что существование Вселенной - это дыхание Брахмы (при этом день Брахмы продолжается 2 160 000 000 лет). Древнекитайский философ Лао-цзы считал, что нет ничего постоянного, все меняется в мире.

В Древней Греции возникают две точки зрения о движении. Гераклит гласит известный принцип панта рей, а Парменид утверждает, что изменений не может быть вообще, то, что мы наблюдаем, - обманчивая видимость. Он понимает изменения как возникновение и уничтожение: то, что есть, существует, будет всегда, то, чего нет, не будет никогда. Они были правы. Действительно, в мире нет ничего абсолютно неподвижного, но с другой стороны, существуют законы сохранения, согласно которым энергия, вещество, количество движений не могут исчезать и возникать. Ситуацию ярко и глубоко отразил В. С. Пушкин:

— Движенья нет, сказал мудрец брадатый.

Другой смолчал и стал пред ним ходить.

Сильнее бы не мог он возразить;

Хвалили все ответ замысловатый.

Но, господа, забавный случай сей Другой пример на память мне производит: Ведь каждый день пред нами солнце ходит, Однако ж прав упрямый Галилей.

Соединить устойчивость и движение в определенной степени удается Демокриту, который считает, что атомы вечны и неизменные и всегда находятся в движении. Аристотель, как всегда, подходит к проблеме более дифференцированно и выделяет шесть видов движения: возникновение, уничтожение, изменение качества, увеличение, уменьшение, перемещение. В Новое время материалисты, понимая материи как атомы, объясняли движение исключительно как механическое перемещение атомов.

Французские философы (Дидро, Гольбах, Ламетри, Гельвеций) признают и другие формы движения материи, однако считают, что все их можно свести к механической. При этом Толанд и Гольбах понимают движение как средство существование материи.

И только Гегель впервые преодолевает односторонний механицизм (сведение всех форм движения материи к механической) и формулирует основные законы движения (развития).

Начиная с конца XIX века. понимание движения материи как любого изменения приобретает все большее распространение (а впервые такая точка зрения встречается в работах Ф. Энгельса). За такого подхода согласно форм существования материи могут быть выделены основные формы движения:

♦ движение в неживой природе;

♦ движение в живой природе;

♦ движение в обществе (социальный).

Обсуждается вопрос о возможности выделения информационной, кибернетической формы.

В каждой из них есть свой специфический носитель и свои особые законы движения. При этом движение в неживой природе рассматривается как попроще (как низшая форма) по отношению до движения в живой природе, а последний рассматривается как низшая форма по отношению к социальной формы движения.

Возникает вопрос о взаимоотношении форм движения материи. Если считают, что явления высшей формы могут быть полностью объяснены законами низшей, то такая позиция имеет название редукционизма. Он существовал в истории науки в виде механицизма (сведение к механике) и фізикалізму (сведение к физике).

С противоположной точки зрения высшие формы движения материи настолько специфические, что законы низших ничего не могут дать в их познании. Эта точка зрения имеет название органіцизму, или витализма.

На самом деле, поскольку низшие формы движения входят в состав высших, то их закономерности действуют в высших и они в определенной степени позволяют изучить эти высшие формы, однако не полностью, поскольку последние имеют свою специфику. Такая точка зрения имеет название інтегратизму. Она позволяет использовать физические методы исследований для изучения медико-биологических явлений и предостерегает против абсолютизации этих методов.

Понятие движения является исходным для объяснения развития и прогресса.

Развитие понимают как движение, при котором происходит необратимая, направленная закономерна изменение, то есть развитие - это обязательно изменение качества. Любое развитие является изменением, но не каждое изменение является развитием.

Понятие прогресса, прогрессивного развития, явно или неявно носит антропоцентричный характер. То есть, мы считаем прогрессивным то, что способствует прогрессу человечества. Главным критерием прогресса и главной целью человечества Организация Объединенных наций во Всеобщей декларации прав человека провозгласила права и свободы личности.

— Движение вообще является изменением вообще.

Ф. Энгельс

— Основные критерии прогресса находятся в трех сферах материальной действительности: системно-структурный касается неорганической природы, функциональный - органическому миру и гуманитарный - общества.

П. В. Алексеев, А. В. Панин

— Все прогрессы реакционные, если рушится человек.

А. Вознесенский

— Духовное совершенствование индивиду - прогресс прогресів.

А. Швейцер

И движение, и развитие, и прогресс неразрывно связаны с пространством и временем.

Пространство и время

В повседневной практике человека формируется представление о пространстве (как взаиморасположение и протяженность тел) и время (как продолжительность существования тел и их состояний). Эти представления обобщаются в естествознании и философии и приводят к выводам о свойствах пространства и времени. Пространство считается бесконечным, трехмерным и обратным, а время - вечным, одномерным и не обратным.

В отношении пространства и времени в истории науки существовало два подхода: субстанциальный и реляционный.

Субстанциальный подход в древности развивали Демокрит и Эпикур, а в Новое время — Ньютон. Согласно им, пространство, время и материя - три субстанции, три вещи, которые могут существовать самостоятельно. Пространство (похож на ящик), в котором есть атомы, планеты, звезды (материя) и часы (время). Материю, ящик и часы можно разделить.

Элементы реляционного подхода были в перипатетика, в Новое время этот подход развивал Лейбниц, и он окончательно утвердился после работ Эйнштейна по теории относительности. В реляционном подходе пространство и время рассматриваются как отношение материальных объектов. Пространство - как взаєморозташувакня, их взаимная координация, а время - как координация их состояний. То есть, никакого пространства, никакого времени вне материальными объектами не существует. Размерность пространства и времени вытекает из неразрывной связи последних двух и представляется чотиримірною характеристикой единого пространственно-временного континуума.

Простейшие пространственно-временные модели Вселенной сейчас связывают с средней плотностью веществ в нем. При критической плотности (2 10 29 г/см 3) Вселенная должен быть конечным и стационарным (Вселенная Эйнштейна). Если она меньше критической, то Вселенная должна быть открытым и бесконечно расширяться (Вселенная Лобачевского-Фридмана), а если выше критической, то Вселенная должен быть непрерывный, пульсирующий (Вселенная Римана).

Сегодня этот вопрос остается не решенным, потому что открываются все новые и новые виды материи, которые вмещают в себе огромные массы, как черные дыры.

Формам существования и движения материи должно соответствовать, согласно реляційним подходом, свое пространство-время. То есть, движение неживой природы осуществляется в физическом пространстве-времени. А биологические объекты существуют не только в физическом, но и в своем собственном биологическом пространстве-времени. Элементами биологического пространства выступают индивидуальная территория, экологическая ниша и вся биосфера, биологического времени - возраст организма (а возможно, и вида), его внутренние биологические часы, который определяет физиологическое состояние организма, степень его старения.

В. И. Вернадский связывал биологическое время с высшим уровнем организации материи, когда наиболее четко и полно проявляются такие качественные признаки времени, как необратимость и однонаправленность, что является следствием непрерывной последовательной эволюции биосферы, и только с этого времени, считает он, становится возможным истинное вычисление и измерение биологического времени.

Социальное пространство - это пространство, которое охватывается и превращается человечеством, а социальный время - это его история.

Кроме того, могут быть выделены также психологическое пространство и время и, соответственно, психологический возраст организма, который имеет психику (прежде всего человека). Психологический возраст зависит от подвижности центральной нервной системы и определяется способностью человека адаптироваться в новых условиях, ее любознательностью и энергией, а психологическое старение связано, прежде всего, с ростом ригидности, жесткости потери гибкости нервной системой старого человека, что уменьшает ее адаптационные возможности. Психологический пространство понимают как определенную дистанцию между людьми в общении, вторжение в которую, кроме особых случаев вызывает психологический дискомфорт.

Конечно, все эти четыре времена взаимосвязаны, и психологический возраст зависит от биологического и физического. В то же время они относительно автономны, то есть люди одного физического возраста могут иметь различный биологический возраст (такое явление объясняется изношенностью организма). Аналогично и люди с одинаковым состоянием физиологического здоровья могут иметь разный психологический возраст, разные степени свежести восприятия и остроты мышления.

— Время - число движения.

Аристотель

— …пространство является бытием первично-протяжным … которое не содержит в себе ничего, кроме трех измерений… Материя - это бытие вторично-протяженное, или такое, что, кроме протяженности, имеет и физическое тело… материя является бытием в пространстве… Движение является изменением пространства… является ничем иным, как величиной движения… соотношением всех абстракций последовательности.

Г. В. Лейбниц

— Что же такое… время? Пока никто меня о том не спрашивает, я понимаю, даже не колеблясь; но как только хочу дать ответ, я в полной безысходности. Тем временем осознаю, что если бы ничего не происходило, то не было бы прошедшего, и если бы ничего не происходило, то не было бы будущего, и если бы ничего не было действительно существующего, то не было бы и настоящего времени.

Августин

— Прошлое - это тоже вид бытия, и, пожалуй, наиболее надежный.

В. Франкл

— Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношение к чему-либо внешнему, протекает равномерно; по-другому он называется продолжительностью.

И. Ньютон

— …время - это абстракция, к которой мы приходим благодаря изменению предметов. У нас нет никакой определенной меры времени, потому что все связано между собой.

— …мы должны отказаться от описания атомных явлений как явлений в пространстве и времени…

А. Эйнштейн

— …время, четвероякий сквозняк открытости, позволяет отыскать себя как «наличие», что содержит бытие, т. е. присутствие.

М. Хайдеггер

Дальнейшее философское познание бытия осуществляется посредством философских категорий - основных понятий, философия вырабатывает и совершенствует на протяжении всего своего существования как для собственных целей (выполнения своих функций), так и для общенаучного использования.

Контрольные вопросы:

1. Основные виды бытия.
2. Структура человеческого бытия.
3. Что такое практика?
4. Формы и структура духовного бытия.
5. В чем заключаются недостатки понимания материи как вещества?
6. Основные структурные уровни (формы существования) материи.
7. Возможные пути развития физики микромира.
8. Главный критерий общественного прогресса.
9. Субстанциальный и реляционная концепция пространства и времени.
10. Основные модели Вселенной.
11. Биологическое пространство и время.
12. Социальное пространство и время.
13. Психологическое пространство и время.

Одна из важнейших задач естествознания - со­здание естественно-научной картины мира в виде це­лостной упорядоченной системы. Для ее решения ис­пользуются общие и абстрактные понятия: материя, движение, время и пространство.

Материя -это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объек­ты. Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас представляет собой материю. Она тождественна ре­альности. Неотъемлемое свойство материи - движение. Без движения нет материи, и наоборот.Движение ма­терии -любые изменения, происходящие с материаль­ными объектами в результате их взаимодействий. Ма­терия не существует в бесформенном состоянии - из нее образуется сложная иерархическая система мате­риальных объектов различных масштабов и сложности.

Отличительная особенность естественно-научного познания заключается в том, что для естествоиспыта­телей представляет интерес не материя или движение вообще, а конкретные виды материи и движения, свой­ства материальных объектов, их характеристики, кото­рые можно измерить с помощью приборов. В современ­ном естествознании различают три вида материи: ве­щество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество -основной вид материи, обладающей массой. К вещественным объектам относятся элементар­ные частицы, атомы, молекулы и многочисленные обра­зованные из них материальные объекты. В химии веще­ства подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные - химические соеди­нения. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния ве­щества: твердое, жидкое и газообразное. При очень высокой температуре образуется плазма. Переход ве­щества из одного состояния в другое можно рассматри­вать как один из видов движения материи.

Различные виды движения материи можно класси­фицировать с учетом изменений свойств материальных объектов и их воздействий на окружающий мир. Меха­ническое движение (относительное перемещение тел), колебательное и волновое движения, распространение и изменение различных полей, тепловое (хаотическое) дви­жение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы в макросистемах, фазовые переходы между агрегатными состояниями (плавление, парообразование и др.), радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы, эво­люция звезд, галактик и Вселенной в целом - все это примеры многообразных видов движения материи.

Физическое поле -особый вид материи, обеспе­чивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствую­щие различным частицам (например, электрон-по-зитронное поле). Источником физических полей яв­ляются частицы (например, для электромагнитного поля - заряженные частицы). Созданные частицами физические поля переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними. В квантовой теории вза­имодействие обусловливается обменом квантами поля между частицами.

Физический вакуум -низшее энергетическое со­стояние квантового поля. Этот термин введен в кван­товой теории поля для объяснения некоторых микропро­цессов. Среднее число частиц - квантов поля - в ва­кууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы - частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. Виртуаль­ные частицы влияют на физические процессы. В физи­ческом вакууме могут рождаться пары частица-антича­стица разных типов. При достаточно большой концен­трации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами, что подтверждается экспериментом. Пред­полагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная.

Всеобщими универсальными формами существо­вания и движения материи принято считать время и пространство. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в простран­стве и во времени. Особенность естественно-научного представления об этих понятиях заключается в том, что время и пространство можно охарактеризовать коли­чественно с помощью приборов.

Время выражает порядок смены физических состо­яний и является объективной характеристикой лю­бого процесса или явления. Время - это то, что можно измерить с помощью специальных приборов. Принцип работы приборов для измерения времени основан на разных физических процессах, среди которых наибо­лее удобны периодические процессы: вращение Зем­ли вокруг своей оси, электромагнитное излучение воз­бужденных атомов и другие. Многие крупные дости­жения в естествознании связаны с разработкой более точных приборов для определения времени. Существу­ющие сегодня эталоны позволяют измерить время с очень высокой точностью - относительная погреш­ность измерений составляет менее 10" 11 .

Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя постулат времени кажется естественным и очевидным, его истинность все же относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных часов, поскольку, во-первых, они характеризуются своей точностью и, во-вторых, невоз­можно создать принципиально одинаковые условия в природе в разное время. Вместе с тем длительная прак­тика естественно-научных исследований позволяет не сомневаться в справедливости постулата времени в пределах той точности, которая достигнута в данный момент времени.

При создании классической механики около 300 лет назад И. Ньютон ввел понятие абсолютного, или истинного,математического времени, которое течет всегда и везде равномерно, и относительного време­ни как меры продолжительности, употребляемой в обы­денной жизни и означающей определенный интервал времени: час, день, месяц и т. д.

В современном представлении время всегда отно­сительно. Из теории относительности следует, что при скорости, близкой к скорости света в вакууме, время замедляется - происходит релятивистское замедление времени, и что сильное поле тяготения приводит к гра­витационному замедлению времени. В обычных зем­ных условиях такие эффекты чрезвычайно малы.

Важнейшее свойство времени заключается в его необра­тимости. Прошлое во всех деталях и подробностях нельзя воспроизвести в реальной жизни - оно забывается. Нео­братимость времени обусловлена сложным взаимодей­ствием множества природных систем, в том числе атомов и молекул, и символически обозначается стрелой време­ни, «летящей» всегда из прошлого в будущее. Необрати­мость реальных процессов в термодинамике связывают с хаотичным движением атомов и молекул.

Понятие пространства гораздо сложнее понятия времени. В отличие от одномерного времени реальное пространство трехмерно, т. е. имеет три измерения. В трехмерном пространстве существуют атомы и пла­нетные системы, выполняются фундаментальные за­коны природы. Однако выдвигаются гипотезы, соглас­но которым пространство нашей Вселенной имеет много измерений, хотя наши органы чувств способны ощущать только три из них.

Первые представления о пространстве возникли из очевидного существования в природе твердых тел, занимающих определенный объем. Исходя из него, можно дать определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Завершен­ная теория пространства - геометрия Евклида - соз­дана более 2000 лет назад и до сих пор считается об­разцом научной теории.

По аналогии с абсолютным временем И. Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое су­ществует независимо от находящихся в нем физичес­ких объектов и может быть совершенно пустым, явля­ясь как бы мировой ареной, где разыгрываются физи­ческие процессы. Свойства пространства определяются геометрией Евклида. Именно такое представление о пространстве лежит в основе практической деятельно­сти людей. Однако пустое пространство идеально, в то время как реальный окружающий нас мир заполнен различными материальными объектами. Идеальное пространство без материальных объектов лишено смыс­ла даже, например, при описании механического дви­жения тела, для которого необходимо указать другое тело в качестве системы отсчета. Механическое движение тел относительно. Абсолютного движения, как и абсо­лютного покоя тел, в природе не существует. Простран­ство, как и время, относительно.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум простран­ство - время. Основанием для такого объединения слу­жит принцип относительности и постулат о предель­ной скорости передачи взаимодействий материальных объектов - скорости света в вакууме, примерно рав­ной 300 000 км/с. Из этой теории следует относитель­ность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведен­ных в разных системах отсчета, движущихся относи­тельно друг друга.

В соответствии с общей теорией относительности свойства пространства -времени зависят от наличия материальных объектов. Любой материальный объект искривляет пространство, которое можно описать не геометрией Евклида, а сферической геометрией Римана или гиперболической геометрией Лобачевского. Предполагается, что вокруг массивного тела при очень большой плотности вещества искривление становится настолько существенным, что пространство - время как бы «замыкается» локально само на себя, отделяя данное тело от остальной Вселенной и образуя черную дыру, которая поглощает материальные объекты и электромагнитное излучение. На поверхности черной дыры для внешнего наблюдения время как бы останав­ливается. Предполагается, что в центре нашей Галак­тики находится огромная черная дыра. Однако есть и другая точка зрения. Академик Российской академии наук А.А. Логунов (р. 1926) утверждает, что никакого искривления пространства -времени нет, а происхо­дит искривление траектории движения объектов, обус­ловленное изменением гравитационного поля. По его мнению, наблюдаемое "красное смещение в спектре излучения отдаленных галактик можно объяснить не расширением Вселенной, а переходом посылаемого ими излучения из среды с сильным гравитационным полем в среду со слабым гравитационным полем, в котором находится наблюдатель на Земле.

Комментарии к лекциям по физике

Тема: Пространство и время. Кинематика материальной точки

Измерения промежутков времени и пространственных расстояний. Современные

эталоны времени и длины. Система отсчета. Системы координат. Свойства пространства и времени. Однородность времени. Однородность и изотропность пространства. Классические (нерелятивистские) представления о пространстве и времени - предположения об абсолютном характере одновременности событий, промежутков времени и пространственных расстояний. Соотношение евклидовой геометрии и геометрии реального физического пространства.

Предмет кинематики. Материальная точка как физическая модель. Механическое движение и его описание. Основные понятия кинематики материальной точки. Радиус-вектор. Перемещение. Траектория. Путь. Средняя скорость. Скорость.

Вектор скорости как производная радиус-вектора. Направление вектора скорости и траектория. Годограф вектора скорости. Ускорение. Ускорение при криволинейном движении. Центр кривизны и радиус кривизны траектории. Разложение ускорения на нормальную и тангенциальную составляющие. Координатная форма описания движения.

Число степеней свободы механической системы. Движение при наличии связей. Определение скорости и ускорения по заданной зависимости координат от времени. Определение координат по заданной зависимости скорости от времени.

Одномерное криволинейное движение.

Механическое движение. Пространство и время Механика изучает простейшую форму движения материи - механическое движение.

Механическое движение состоит в изменении положения тела относительно других тел. Описание механического движения производится в определенной системе отсчета. Системой отсчета называют тело (или совокупность неподвижных друг относительно друга тел) вместе с приборами для измерения расстояний и промежутков времени. Тело, условно принимаемое за неподвижное, называют телом отсчета. С телом отсчета можно связать какую-либо систему координат.

В физических задачах наиболее употребительны прямоугольные декартовы координаты, сферические и цилиндрические системы координат.

Для реализации системы отсчета прежде всего необходимо ввести по определению некоторые процедуры для измерения пространственных расстояний и промежутков времени. Измерение времени может быть основано на каком-либо естественном процессе. Долгое время в качестве такого периодического процесса выбиралось суточное вращение Земли, и за единицу времени - секунду - принималась определенная часть периода этого процесса (средних солнечных суток). Но в действительности суточное вращение Земли не вполне равномерно: в силу ряда геофизических процессов (перемещений больших масс) происходят случайные изменения момента инерции Земли и угловой скорости ее вращения вокруг оси.

Поэтому принятый в настоящее время эталон времени основывается на периоде колебаний, происходящих в атоме изотопа цезия-133. По определению единица времени секунда содержит 9 192 631 770 периодов этих колебаний. Атомы одного и того же изотопа тождественны, поэтому при указанном выборе эталона времени природа предоставляет в наше распоряжение практически неограниченное число совершенно идентичных «часов».

Постоянство скорости света в вакууме (возведенное в теории относительности в ранг одного из основных постулатов) позволяет измерение пространственных расстояний свести к измерению промежутков времени. Для установления основной единицы длины в настоящее время используется тот же самый эталон, что и для единицы времени: по определению метр - это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

На основе практического опыта измерений расстояний и промежутков времени и изучения механического движения формируются представления о физическом пространстве и физическом времени. Эти понятия являются фундаментальными, т. е. их нельзя определить через какие-то более простые понятия. Используемые в физике системы отсчета можно рассматривать как некоторые практические реализации соотношений между событиями в пространстве и времени. Каждому событию, независимо от его физического содержания (короткая вспышка света, столкновение двух частиц, распад или рождение частицы и т.п.) можно сопоставить некоторую точку пространства-времени.

На опыте установлены следующие свойства времени и пространства: время одномерно и однородно, физическое пространство трехмерно, однородно и изотропно. Однородность времени проявляется в неизменности физических законов с течением времени: любой опыт, поставленный в одинаковых условиях в разное время, дает одинаковые результаты. С однородностью времени связано сохранение энергии. Однородность и изотропность пространства проявляются в независимости физических явлений в замкнутой (изолированной) физической системе от ее положения и ориентации как целого. С однородностью пространства связано сохранение импульса, с изотропностью пространства - сохранение момента импульса.

Как показывает опыт, для трехмерного физического пространства справедлива евклидова геометрия. Это значит, что аксиомам евклидовой геометрии удовлетворяют установленные на опыте свойства объектов физического пространства, которым сопоставляются соответствующие объекты евклидовой геометрии (например, световым лучам в вакууме сопоставляются прямые линии геометрии).

Используемые в классической механике представления о пространстве и времени сформировались на основе опыта наблюдений за сравнительно медленными движениями макроскопических тел. Согласно классическим представлениям, промежутки времени между событиями и пространственные расстояния между точками абсолютны, т. е. не зависят от системы отсчета. Теория относительности показала приближенный характер этих представлений. Постулируемое в теории относительности существование предельной скорости распространения взаимодействий несовместимо с классическими представлениями об абсолютном характере одновременности пространственно удаленных событий, абсолютном характере времени и пространственных расстояний. Это означает, что применимость классических представлений ограничена областью движений, происходящих со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Подробнее об этом см. в комментариях к теме «Основы теории относительности».

Основные понятия кинематики материальной точки Задача кинематики - математическое описание движения без выяснения его физических причин. Используемые в кинематике физические модели - материальная точка, твердое тело, сплошная среда.

Материальная точка - тело, размеры и форма которого несущественны в рассматриваемом движении. Применимость этой модели зависит не столько от размеров самого тела, сколько от условий его движения. В частности, при поступательном движении любое твердое тело можно считать материальной точкой.

Рис. 1: Радиус-вектор r, координаты x, y, z, траектория, перемещение r, путь s.

Механическое движение относительно - одно и то же движение будет различным в разных системах отсчета. В выбранной системе отсчета пространственное положение материальной точки определяется ее радиусом-вектором r, проведенным из начала системы координат. Задание радиуса-вектора r эквивалентно указанию трех чисел, например трех его проекций x, y, z на оси декартовой системы координат (рис. 1).

Число независимых координат, которое необходимо для задания положения механической системы в пространстве, называется числом степеней свободы системы. Материальная точка имеет три степени свободы.

При движении радиус-вектор и координаты изменяются с течением времени.

Говорят, что задан закон движения, если указана определенная непрерывная векторная функция времени r = r(t) или три эквивалентные ей скалярные функции - проекции радиуса-вектора на оси координат x = x(t), y = y(t), z = z(t).

Линия, описываемая движущейся материальной точкой в пространстве, называется траекторией. Движения разделяются на прямолинейные и криволинейные в зависимости от вида траектории. Представление траектории точки в виде некоторой непрерывной линии связано с абстракцией классической физики о возможности неограниченной детализации описания движения (подробнее об этой абстракции см. в комментарии к теме «Принципы классической механики»).

Перемещение точки за промежуток времени t - это по определению вектор r, соединяющий положения точки в моменты t и t + t. Из рис. 1 видно, что r(t + t) = r(t) + r.

Путь s, пройденный точкой за тот же промежуток времени t,- это длина соответствующего отрезка траектории.

При прямолинейном движении в одном направлении s = |r|, при криволинейном s |r|. Путь s(t), пройденный точкой к моменту времени t,- это длина траектории от некоторого начального положения A, где точка находилась в момент времени t = 0 (см. рис. 1), до положения в момент t. Если точка меняла направление движения по той же траектории, то ее путь s - это полное пройденное вдоль траектории расстояние.

Средняя скорость определяется как вектор, равный отношению перемещения к промежутку времени, в течение которого совершено это перемещение: vср = r/t. Вектор средней скорости характеризует быстроту, с которой совершается перемещение за определенный промежуток времени t.

Для характеристики быстроты движения за конечный промежуток времени наряду c вектором средней скорости vср иногда вводят среднюю скорость прохождения пути vs (или среднюю скорость движения по траектории) по следующему определению: vs = s/t. При прямолинейном движении в одном направлении |vср | = vs, при криволинейном движении |vср | vs, так как длина хорды меньше длины стягиваемой этой хордой дуги.

Скорость (мгновенная скорость) в момент времени t - предел, к которому стремится средняя скорость при t 0, т. е.

производная от r(t) по t:

r dr v = lim =. (1) t0 t dt Мгновенная скорость характеризует быстроту движения точки в данный момент времени или в данной точке траектории. Возможность рассматривать мгновенную скорость материальной точки как производную радиуса-вектора по времени связана с абстракцией классической физики о возможности неограниченной детализации описания движения (подробнее см. в комментарии к теме «Принципы классической механики»). Скорость в каждой точке направлена по касательной к траектории, так как направление касательной - это предельное направление хорды при стремлении к нулю длины хорды.

Проекции скорости на оси координат равны производным по времени от соответствующих координат:

dx dy dz vx =, vy =, vz =. (2) dt dt dt

Ускорение в момент времени t определяется как производная от v(t) по t:

dv dvx dvy dvz a=, или ax =, ay =, az =. (3) dt dt dt dt Небольшой участок криволинейной траектории можно аппроксимировать дугой окружности. Чтобы найти положение центра этой окружности и ее радиус, можно построить перпендикуляр к касательной в данной точке траектории, затем еще один перпендикуляр к касательной в некоторой вспомогательной соседней точке траектории. Пересечение этих перпендикуляров приближенно дает положение центра кривизны траектории. Точное положение находится как предельное положение точки пересечения перпендикуляров при неограниченном приближении второй (вспомогательной) точки к данной точке траектории. Положение центра кривизны и радиус кривизны непрерывно изменяются при движении вдоль траектории (лишь в частном случае движения по окружности радиус кривизны и положение центра кривизны остаются неизменными).

Для каждой точки криволинейной траектории можно ввести единичные векторы n и, направленные соответственно по нормали к траектории (в сторону центра кривизны) и по касательной к траектории. Тогда вектор скорости v в данной точке можно представить в виде v = v, где v – проекция скорости на направление вектора. Эта проекция положительна при совпадении направления движения с направлением вектора, и отрицательна в противном случае. Проекция вектора скорости на направление нормали к траектории равна нулю.

Чтобы найти проекции вектора ускорения на направления касательной и нормали, нужно вычислить производную по времени от вектора скорости v = v:

dv d(v) dv d a= = = + v. (4) dt dt dt dt Здесь первое слагаемое в правой части - вектор, направленный по касательной к траектории (тангенциальное ускорение), второе слагаемое - вектор, направленный по нормали к центру кривизны траектории (нормальное ускорение). Можно показать, что v (d /dt) = (v /R)n, где R - радиус кривизны траектории в данной точке (рис. 2).

Рис. 2: Разложение ускорения при криволинейном движении на нормальную и тангенциальную составляющие.

Поэтому выражение (4) дает разложение вектора ускорения на две составляющие: тангенциальное ускорение a, направленное по касательной к траектории, и нормальное ускорение an, направленное по нормали к центру кривизны траектории (см. рис.

Материя обладает неотъемлемыми свойствами - атрибутами, главными из которых являются движение, пространственно временная определенность и отражение.

Структурность материи, существование в ней определенного типа материальных систем, определенных уровней, предполагает взаимодействие между ними. Взаимодействие приводит к изменению объекта, к изменению его свойств, отношений, состояний.

Всякое изменение вообще - есть движение.

Материя тесно связана с движением, а оно существует в виде конкретных своих форм. Движение - есть способ существования материальных систем.

Основными формами движения материи являются: механическая, физическая, химическая, биологическая и социальная. Впервые эту классификацию предложил Ф. Энгельс в присутствии с уровнем развития науки второй половины XIX века. Современный этап философского и научного познания мира предоставляет широкие возможности для разнообразных интерпретаций многообразия форм движения материи. Так, в настоящее время существует множество мнений о том, что самостоятельными формами движения являются геологическое, экологическое, компьютерное и др. Сегодня акцентируется внимание на процессах самоорганизации в мире.

Характеризуя формы движения материи и их взаимосвязь необходимо обратить на следующие моменты. Каждая форма качественно специфична, но все они неразрывно связаны и при определенных условиях могут переходить друг в друга. Между формами движения существует связь, т.е. высшие формы движения возникают на базе низших, однако, не являются их простой суммой. Высшие формы обладают своими собственными закономерностями, качественным своеобразием.

Если движение - это способ существования материи, то пространство и время - это формы существования материи.

Движение материи происходит в пространственно-временных формах, как коренных условиях всякого .

Пространство - это объективная форма существования материи, которая характеризует взаимное расположение материальных объектов; способность их занимать определенный об и иметь определенную форму, структуру.

Время - это объективная форма существования материи выражающая длительность существования и последовательность сменяющих друг друга состояний объектов, систем и процессов.

Пространство и время - это не самостоятельные сущности, а формы существования движущейся материи. Они зависят от и определяются ею. Анализ проблемы пространства и время предполагает различие понятий: реальное пространство и время, перцептуальное пространство и время, концептуальное пространство и время.

Реальное пространство и время характеризует объектные пространственно-временные свойства и отношения самих реальных предметов и явлений, существующих независимо человека в пространственно-временной организации мира.

С возникновением человека, возникают и формы отражения человеком в его сознании пространственно-временных свойств предметов. Это отражение существует на двух основных уровня перцептуальном и концептуальном.

На перцептуальном уровне - человек познает пространственно-временные формы при помощи органов чувств и формирует образы, представления. Эти представления являются индивидуальными, зависят от физиологических и психологических факторов.

Концептуальное пространство и время - выражает теоретический уровень знаний о пространственно-временной организации мира. Это учения, концепции, теории пространства и времени. Они зависят не от индивидуальных особенностей человека, от уровня развития общества, науки, культуры, являются общезначимыми для своей эпохи и индивидуальных особенностей человека.

В истории философии и науки сложились две основных концепции пространства и времени: субстанциальная и реляционная.

Субстанциальная концепция - рассматривает пространство и время как особые сущности, которые существуют сами по себе независимо от материальных объектов. Пространство и время это пустое вместилище, оно однородно и неизменно. Здесь пространство и время рассматриваются как самостоятельные субстанции.

Если предположить, что все вещи исчезнут, то останется пространство и время. Эта идея, в общем виде сформулированная еще Демокритом, получила свое логическое завершение в концепции абсолютного пространства и времени Ньютона (концепция классической механики), который считал, что их свойства не зависят от характера протекающих в мире материальных процессов.

Реляционная концепция - рассматривает пространство и Время как особого рода отношения между объектами и процессами, которые вне их существовать не могут. Пространственно-временные свойства зависят от характера и скорости движущихся материальных систем и выступают как отношения между этими движущимися материальными системами. Реляционной концепции пространства и времени в истории философии придерживались I Аристотель, Августин Блаженный, И. Кант. К реляционной концепции относится теория относительности Эйнштейна. В соответствии с ее положениями, при приближении скорости движения тела к скорости света линейные параметры тела уменьшаются, а ритм течения времени замедляется.

Философское учение о пространстве и времени включают анализ всеобщих и особенных свойств пространства и времени. К всеобщим свойствам относят: объективность, универсальность, неисчерпаемое многообразие пространственно-временных форм в различных уровнях организации материи. К особенным свойствам относят: трехмерность реального пространства и одномерность, необратимость временных отношений. Реальное пространство трехмерно, т.е. для нахождения любого тела в пространстве необходимо и достаточно указать три его координаты. Время необратимо, однонаправлено. Все события, изменяясь во времени, развиваются от прошлого через настоящее к будущему. Невозможное абсолютное повторение событий.

Свойства пространства и времени специфически конкретизируются на различных уровнях организации материи.

Социальное пространство - то пространство которое организуют люди в зависимости от условий своей жизнедеятельности. Социальное пространство не сводится ни к физическому, ни к биологическому пространству. Оно создается людьми в каждую историческую эпоху, в зависимости от развития производственной, технико-технологической и социально-культурной сферы, современный город по своей пространственной планировке отличается от городов Античности и Средневековья.

Социальное время зависит от интенсивности всех форм человеческой . В истории время может замедлять или «ускорять свой бег», события текут быстрее. Например в Средние века в Европе время отмечалось ударом монастырского колокола, оно текло медленно. Только в конце средних веков были изобретены часы - символ убегающего времени. С появлением часов, машинного производства, крупных городов люди стали жить совсем в другом времени, в другом ритме - в ритме машин. Времени стало не хватать - его стали занимать у будущего. Мы проживаем жизнь с такой интенсивностью, с таким количеством впечатлений, которых человеку прошлых эпох хватило бы на несколько жизней. Говоря о социальном времени, выделяют время индивида (жизненный путь конкретного человека), время поколений, время истории.

Пространство и время - формы существования движущейся материи.

Сначала рассмотрим понятие пространства и понятие времени. (Этот момент требует особого внимания, т.к. связанные с этим вопросы не столь просты, как это может показаться. Однако в учебной литературе обычно нет определения и анализа данных понятий).Понятие пространства опирается на понятие протяженности. Протяженность объекта выражает его структурность, взаимоот­ношение его частей. Обнаруживается протяженность благодаря конеч­ности скорости распространения взаимодействий - для “движения” с бесконечной скоростью любые расстояния одинаковы, а именно точечны. Протяженность, следовательно, обусловлена системной природой мате­рии, выражая ее многокачественность и многокомпонентность.

Понятие времени базируется на понятии длительности. Длительность выражает несотворимость и неуничтожимость системно организованной материи, последовательное пребывание материальных объектов и явле­ний в определенных состояниях.

Опираясь на сказанное и материалистически интерпретируя извест­ные положения Г.Лейбница, можно дать следующие определения:

пространство - это отношения взаимоположения объектов, сосуществую­щих в некоторый момент времени (при измерении пространственных раз­меров, обратим внимание, измеряемый объект совмещается с эталоном);

время - это отношения последовательности объектов, сосуществующих в некоторой точке пространства (сравнение временных параметров разно­местных событий, обратим внимание, требует синхронизации часов, что связано с комплексом не столь уж тривиальных допущений и процедур).

Для пояснения определения пространства рассмотрим вопрос: о ка­ких свойствах запечатленных на ней объектов позволяет судить фото­графия? Ответ очевиден: она отражает структуру, а потому и протя­женность (относительные размеры) этих объектов, их расположение от­носительно друг друга. Фотография, следовательно, фиксирует прост­ранственные свойства объектов, причем объектов (в данном случае это важно), сосуществующих в некоторый момент времени.

Для пояснения определения времени рассмотрим вопрос: почему мы имеем возможность, глядя на киноэкран, судить о временных характе­ристиках запечатленных на киноленте событий? Ответ очевиден: пото­му, что кадры сменяют друг друга на одном и том же экране, сосуществуя в этой “точке” пространства. Если же каждый кадр поместить на свой экран, то мы получим просто совокупность фотографий...

Пространство и время определены, отметим, через противопоставле­ние, соотнесение с противоположным: момент времени, фигурирующий в определении пространства, не обладает длительностью, будучи отрица­нием времени; точка пространства, фигурирующая в определении време­ни, не обладает протяженностью, будучи отрицанием пространства.

Выделим два следствия из определений пространства и времени.

Во-первых, пространство и время объективны.

Во-вторых, пространство и время неразрывно связаны друг с другом и с движением материи. Более того, пространство и время - это сто­роны движения. В самом деле: поскольку пространство - это отношения сосуществующих в некоторый момент времени объектов, постольку оно есть то, что остается от движения, когда мы отвлекаемся от времени; поскольку время - это отношения объектов, сосуществующих в некото­рой точке пространства, постольку оно есть то, что остается от дви­жения, когда мы отвлекаемся от пространства. Таким образом, прост­ранство и время не существуют вне движения материи, как и оно - вне пространства и времени. Это и дало основание Ф.Энгельсу утверждать: “...Основные формы всякого бытия суть пространство и время...”(1.51). Данный тезис, однако, еще нуждается в обосновании, как это станет ясным после рассмотрения основных подходов к пониманию природы пространства и времени, сложившихся в ходе развития науки.

Субстанциальная и реляционная концепции пространства и времени.

Современное понимание пространства и времени сложилось в итоге длительного исторического процесса познания, содержанием которого, в частности, была борьба С- и Р-подходов к пониманию их сущности.

Первая из указанных концепций рассматривает пространство и время как самостоятельно (вне и независимо от материи), предметно сущест­вующие, вторая - как не обладающие самостоятельным бытием вне дви­жения материальных объектов, как специфические отношения вещей, яв­лений, процессов. В свете изложенного выше С-концепция представля­ется явно несостоятельной. Дело, однако, в том, что приведенные вы­ше определения пространства и времени выражают, что очевидно, реля­ционную точку зрения и потому лишь после ее обоснования могут служить основой для критики С-понимания пространства и времени.

Исторически исходным (зародившимся еще в донаучном мышлении) был Р-взгляд на пространство и время,- когда пространственно-временные свойства вещей не отделялись от самих вещей. “Что касается понятия пространства,- писал А.Эйнштейн,- то... ему предшествовало психоло­гически более простое понятие места. Место есть прежде всего (ма­лая) часть земной поверхности, которой присваивается какое-либо на­звание. Вещь, “место” которой определяется, есть “материальный пре­дмет”... Простой анализ показывает, что “место” является также группой материальных предметов”(2.125). С этой точки зрения “пространст­во (или место) есть вид порядка материальных объектов”; при этом, что ясно, “не имеет смысла говорить о пустом пространстве”(2.125). Тако­во существо реляционной концепции пространства.

“Однако,- продолжал А.Эйнштейн,- можно... мыслить иным образом. Мы можем поместить в какой-либо ящик определенное количество зерен риса или вишен и т.п. Встает вопрос о свойстве материального объек­та, “ящика”, которое должно быть признано “реальным” в том же смыс­ле, как реален и сам ящик. Это свойство можно назвать “пространст­вом” ящика. Могут существовать и другие ящики, которые в этом смыс­ле имеют “пространство” различной величины. Понятие “пространство” приобретает смысл, который не зависит от связи с отдельным матери­альным предметом. Таким образом, путем естественного расширения по­нятия “пространство ящика” можно прийти к понятию независимого (аб­солютного) пространства, не ограниченного по протяженности, в кото­ром содержатся все материальные объекты. В этом случае материальный предмет, не расположенный в пространстве, просто непонятен; с дру­гой стороны, при таком образовании понятия вполне мыслимо существо­вание пустого пространства”*(2.125). Таково существо С-концепции.

Это понимание пространства было, вспомним, важным элементом фи­лософии Демокрита. Именно существованием абсолютной пустоты (пусто­го пространства) объяснялась в ней раздельность бытия атомов(Атом Демокрита - абсолютно неделимая, не имеющая частей частица) и состоящих из них вещей. Поэтому Демокрит и рассматривал пространство как существующее в том же смысле, что и вещи. Его под­ход, что важно учитывать, был обусловлен пониманием материи как однородной, однокачественной. В естествознании С-концеп ция пространства и времени разрабатывалась прежде всего И.Ньютоном как важный элемент его механики (далее мы остановимся на этом).

Поэтому атом неизменен, существуя вне времени. Это означает, что в философии Демокрита содержится С-понимание времени.

Если говорить о пространстве (ситуация с временем аналогична), то очевидно, что выбор между его С- и Р-пониманием зависит от отве­та на вопрос: существует ли абсолютная пустота (пустое пространст­во)? Современное естествознание отрицательно отвечает на этот воп­рос. В пользу этого имеются и философские соображения.

Еще Аристотель указывал, что в пустоте не может быть различий - она, следовательно, бесструктурна и потому не может обладать протя­женностью, т.е. быть пространством. Это означает, что пространство не обладает самостоятельным бытием, не существует без материальных объектов, вещей. Но, вместе с тем, пространство - это не вещь.

В связи с этим утверждением рассмотрим одно из рассуждений Зено­на Элейского. Допустим, предлагал он, что тезис “все существующее существует (находится) в пространстве” истинен. Тогда пространство, как нечто существующее, должно существовать (находиться) в некоем ином пространстве. Последнее, коль скоро оно существует, должно, в свою очередь, существовать (находиться) уже в третьем пространстве, и т.д. до бесконечности... Мысль Зенона можно представить (обозна­чив существующий объект как О и пространство как П) так:

О <-- П (= О) <-- П1 (= О) <-- П2 (= О) <-- ...

Это означает, что пространство либо вовсе не существует, либо, если оно и существует, то непознаваемо...

Аристотель указал: исходный тезис Зенона ложен, ибо отнюдь не все существующее существует (находится) в пространстве. Где, в са­мом деле, существует (находится) кентавр, например, и много ли мес­та он там занимает?! - В пространстве существуют (находятся) мате­риальные вещи, но не, в частности, понятия. Истинен тезис “все вещи существуют (находятся) в пространстве”. И “дурная” бесконечность возникает лишь тогда, когда пространство рассматривается как вещь. Эту ситуацию можно представить (обозначив вещь как В) так:

В <-- П (= В) <-- П1 (= В) <-- П2 (= В) <-- ...

Но трудность, обнаруженная Зеноном, исчезает, если не рассматривать пространство как вещь, не рассматривать его как существующее в том же смысле, что вещи. Иначе говоря, Зенон доказал “лишь” неприемле­мость демокритовского (субстанциального) понимания пространства.

Итак, пространство - это не пустота и не вещь. Поэтому Аристотель сделал вывод: пространство - это некие отношения материальных вещей, начав разработку Р-концепции пространства (и времени). Позднее выдающийся вклад в ее развитие внес Г.Лейбниц. Именно она явля­ется основой понимания пространства и времени в фундаментальных те­ориях современного естествознания (далее мы на этом остановимся).

Наконец, обратим внимание: при диалектико-материалистическом по­нимании материи как неисчерпаемой излишне понятие абсолютной пусто­ты, пустого пространства, и нет необходимости рассмат­ривать последнее как существующее в том же смысле, что и материаль­ные объекты. Таким образом, есть все основания для отказа от С-кон­цепции, абсолютизирующей известную самостоятельность пространства и времени и, соответственно, для утверждения: пространство и время

это всеобщие стороны, моменты движения материи (Р-концепция).

Поскольку пространство и время не обладают самостоятельным быти­ем, как таковые они не могут быть даны в ощущении,- в ощущении даны объекты (обладающие атрибутом действия), имеющие пространственно- -временные свойства. Поэтому объективность пространства и времени не означает их материальности в точном смысле последнего слова.

Из единства пространства, времени и движения материи следует не­допустимость как (1) отрыва пространства и времени от движения ма­терии (при этом материю станет невозможно рассматривать как систем­но организованную и способную к самодвижению, а пространству и вре­мени будет приписано субстанциальное бытие), так и (2) отождествле­ния пространства и времени с движущейся материей.

Эти крайности на деле (что характерно) тождественны. Ведь в слу­чае (2) пространство и время рассматриваются как некие “виды мате­рии” (рядом исследователей отстаивалась эта точка зрения), т.е. как обладающие предметным бытием (С-концепция). При этом (вспомним Зе­нона) придется искать некие иные пространство и время как формы су­ществования “исходных”, уходя в “дурную” бесконечность...

Основные свойства пространства и времени.

При анализе этих вопросов необходимо учитывать не только то, что пространство и время неразрывно связаны с движением материи, но и наличие субординации между ними: “Движение есть сущность времени и пространства”(3.231). Приведем два соображения в пользу этого тезиса.

Во-первых, пространство и время - это стороны движения материи.

То, что свойства пространства (и времени) в определенных преде­лах не зависят от отдельных объектов (явлений) еще не означает, подчеркнем, что эти свойства вообще не зависят от материи.

Во-вторых, если бы частицы вещества, образующие тело, обладали только притяжением или только отталкиванием, тело не могло бы иметь конечной протяженности (в одном случае имея нулевые размеры, в дру­гом - бесконечные)(На это указал И.Кант в “докритический” период своего творчества. Это еще раз подтверждает правильность положения, согласно которому ни один объект не может рассматриваться как носитель лишь какого-либо одного вида движения, взаимодействия.). Таким образом, протяженность (основной момент пространства) обусловлена характером движения, взаимодействия час­тиц материи, именно - единством присущих им отталкивания и притяже­ния. Ситуация с временем аналогична.

Поскольку сущность пространства и времени - это движение, пос­тольку

(а) наиболее существенные свойства пространства и времени - это проявление свойств движущейся материи;

(в) понимание пространства и времени в главном определяется

пониманием движения, взаимодействия.

К всеобщим свойствам пространства и времени как атрибутов мате­рии прежде всего относятся: объективность, абсолютность (как уни­версальных форм бытия материи), необходимая связь друг с другом и с движением материи, неисчерпаемость, единство прерывного и непрерыв­ного в структуре (на двух последних моментах далее мы остановимся).

Кратко рассмотрим, иллюстрируя тезис (а), проблему размерности пространства и времени.

Одномерность времени вытекает из его необратимости: преобразова­ние симметрии в n-мерном пространстве эквивалентно преобразованию поворота в n+1-мерном пространстве, поэтому обратимое время было бы двумерным. Что касается необратимости времени, то она связана с несимметричным характером взаимодействий и необратимостью причинно- -следственных связей. Утверждать, как это иногда делается в учебной (и не только) литературе, что необратимость времени обусловлена не­обратимостью причинно-следственных связей, нельзя: само различение причины и следствия включает в качестве необходимого признака пред­шествование причины следствию во времени, т.е. предположение о не­обратимости времени. Здесь важно учитывать, что в обратимом времени было бы невозможно существование познающего субъекта. Дело в том, что последний имеет общественную сущность, но общение как ее основа в обратимом времени невозможно: сообщение, адресованное некоторому субъекту, воспринималось бы им как направленное от него.

Трехмерность макроскопического пространства обусловлена(Это было выяснено “докритическим” И.Кантом) кулоновым характером господствующего в нем взаимодействия. Действитель­но, пусть мы имеем материальную точку (заряд) m1, порождающую центрально-симметричное силовое поле, m2 в котором находится материальная точка (заряд) m2. R Очевидно (при допущении однородности и изотропности пространства), что F - , где F - сила взаимо- m1 S

действия частиц, а S - величина геометрического места точек, равно-

удаленных с m2 от m1 - центра поля. В двумерном, например, пространстве, поскольку S = 2 R, мы имели бы F - . Но по закону Кулона

F --. Этому соответствует S R2, что имеет место только в трехмер­ном пространстве. Отметим, что только в последнем, как показано современной теоретической физикой, возможно устойчивое существова­ние атомов и планетных систем.

Поскольку размерность пространства определяется конкретным ха­рактером взаимодействия материальных объектов, нет оснований счи­тать трехмерность пространства его универсальным свойством. В усло­виях, где доминируют взаимодействия, отличные от кулоновых (микро­и мегамир), должна отличаться от трех и размерность пространства.

Очень важна и для философии, и для частнонаучного знания пробле­ма пространственной бесконечности и вечности материального мира. Эта проблема очень сложна. Так, рассмотрение на современном уровне бесконечности пространства требует выделения его метрических и то­пологических свойств, анализа их обусловленности и так далее. Поэ­тому совсем кратко выделим следующее. Поскольку абсолютно изолиро­ванных объектов не существует (существовать - значит взаимодейство­вать), постольку всякий материальный объект - это элемент некоторой материальной системы. Но наряду с материей как единой и единствен­ной субстанциальной основой мира вещей не существует ничего, что в каком-либо смысле могло ее ограничивать... Неисчерпаемость материи означает, подчеркнем, что пространственную бесконечность материаль­ного мира нельзя понимать как его “дурную” бесконечность. Что каса­ется вечности материального мира, то решающим аргументом здесь яв­ляется указание на несотворимость и неуничтожимость движущейся ма­терии (нечто не возникает из ничего и не превращается в ничто).

В пользу тезиса (в) свидетельствует вся история познания пространства и времени. Рассмотрим кратко основные этапы этого процесса.

Изучение механического движения макротел (с нерелятивистскими скоростями) привело к созданию механики Ньютона, в рамках которой пространство - однородно и изотропно (ибо при любом переносе, пово­вороте в нем изолированной системы как целого ее механические свойства не меняются);

бесконечно (тело сколь угодно долго сохраняет состо­яние равномерного движения при отсутствии взаимодействий);

время - однородно (ибо закон сохранения энергии означает, что тече­ние времени не меняет энергии изолированной системы);

пространство и время не связаны друг с другом (ибо в механике Нью­тона допускается существование бесконечной скорости передачи импульса, т.е. допускается существование вневременных про­цессов в пространстве).

Таким образом, рассмотрение движения как механического обуслови­ло субстанциальное понимание пространства и времени как неких не связанных друг с другом и с движением материи ее вместилищ, “ящиков без стенок”. В рамках С-концепции пространства и времени, отме­тим, неразрешимы два, как минимум, вопроса: (1) что означает протя­женность пустоты? (2) если пространство и время - условия всякого бытия, то каковы же тогда условия их собственного бытия?

Что касается механики Ньютона, то в ней была и специфическая трудность: закон тяготения необходимо (ввиду отсутствия понятия по­ля) совмещался с идеей дальнодействия, но почему же тогда сила тя­готения зависит от расстояния, если между телами - пустота?

Тем не менее ньютоново понимание пространства и времени было ос­новным в науке вплоть до создания теории относительности. Ведь без признания существования абсолютной пустоты, казалось, нельзя объяс­нить, в частности, отсутствие торможения в движении планет вокруг Солнца. Кроме того, понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, не связанных с материей, играли важную роль в концептуаль­ном каркасе классической механики. Дело в том, что законы Ньютона справедливы лишь для инерциальных систем отсчета. Но существуют ли такие системы? Ясно, что вполне инерциальной может быть лишь система отсчета, не подверженная возмущающему влиянию со стороны материальных объектов, т.е. система отсчета, связанная с чем-то, что существует независимо от материи. Функцию строго инерциальной системы отсчета и выполняли в механике Ньютона субстанциально понимаемые абсолютное пространство и абсолютное время.

Исследование электромагнитых взаимодействий привело в конечном счете к созданию теории относительности (СТО), в рамках которой пространство и время неразрывно связаны

друг с другом, ибо предельный характер скорости света, ограничи­вающей скорость передачи взаимодействий, указывает на невозмож­ность процессов в пространстве, не требующих времени;

с движением материи, ибо протяженность и длительность имеют смысл (определенное численное значение) лишь при указании системы от­счета, связываемой с телом отсчета.

Подчеркнем, что в СТО поле приобретает существенно новый статус, становясь важнейшим компонентом физической реальности.

Таким образом, в современной науке нет места абсолютно пустым пространству и времени, а потому и С-пониманию их сущности. Отметим также, что в области явлений, изучаемой СТО, идеализация абсолютно твердого тела уже не является оправданной, вследствие чего СТО от­казывается от нее введением постулата ограниченности скорости пере­дачи взаимодействий, что находит выражение во введении четырех­мерного пространственно-временного многообразия (элементом которого является событие), описывающегося псевдоэвклидовой геометрией.

В этом контексте в учебной (и не только) литературе иногда ут­верждается: “Теория относительности... выявила глубокую связь между пространством и временем, показав, что в природе существует единое пространство-время, а отдельно пространство и отдельно время высту­пают как его своеобразные проекции, на которые оно по-разному рас­щепляется в зависимости от характера движения тел”(4.82).

Первая часть этого утверждения бесспорна лишь в таком виде: на естественнонаучном уровне СТО “выявила глубокую связь между прост­ранством и временем”. Ибо философия эту связь выявила и глубоко проанализировала задолго до СТО,- поэтому сводить дело к философс­ким выводам из СТО (как в процитированном учебнике) неправомерно.Согласиться же с тем, что “в природе существует единое пространство-время, а отдельно пространство и отдельно время выступают как его своеобразные проекции”, нельзя. Эта идея Г.Минковского дав­но отвергнута современной наукой, как естествознанием (ее несостоя­тельность показал А.Эйнштейн), так и философией. Дело в том, что четырехмерное пространство-время - это концептуальное пространство- -время, на теоретическом уровне отражающее взаимоотношение реальных пространства и времени как качественно разных форм бытия материи. Исследование гравитационных взаимодействий привело к созданию общей теории относительности (ОТО), существенно обогатившей научные представления о движении материи и, соответственно, о пространстве и времени. ОТО доказала зависимость кривизны пространства от мате­рии - источника гравитационного поля. Развитие космологии, в основе которого лежит главным образом ОТО, позволило поставить и в опреде­ленной мере решить ряд вопросов, касающихся структуры пространства и времени в наблюдаемой части Вселенной. Установлено, в частности, ее расширение. При этом для описания движения материальных объек­тов, изучаемого ОТО, потребовалось не только использовать геометрию Римана, но и учитывать ее изменение во времени. ОТО выявила также изменение временного ритма процессов в сильных полях тяготения.

Исследование движения микрообъектов (квантовая механика) привело к представлению о дискретности пространства и времени. Дело в том, что при понимании последних как непрерывных ряд наиболее содержа­тельных физических величин (масса, заряд, энергия и др.), описыва­ющих изучаемые квантовой механикой объекты, в ее уравнениях теряют физический смысл ввиду своей расходимости (бесконечности значений). Разрешить проблему удалось лишь введением “фундаментальной длины” - некоего минимального расстояния (Rmin), чем исключаются из рассмот­рения взаимодействия на бесконечно малых расстояниях,- теория соот­ветствует опыту лишь тогда, когда взаимодействия элементарных частиц учитываются в ней на расстояниях, не превышающих Rmin97. Дискретность пространства, ввиду существования предельной скорости пе­редачи взаимодействий, влечет и дискретность времени.

Даже столь краткое рассмотрение показывает: развитие пространст­венно-временных представлений - результат углубления понимания дви­жения, взаимодействия материальных объектов. Это свидетельствует в пользу тезиса “движение есть сущность времени и пространства”.