А. И. Герцен Предисловие. Почему надо изучать философию?

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 5.3. Пространство и время — формы бытия материи Многообразие форм пространства и времени Некоторые нерешенные проблемы теории пространства и времени Проблема многообразия форм пространства и времени. Может ли время течь обратно''' Всеобщий закон Вселенной

Подобный материал:

• А. И. Герцен философия импровизации истории Герцен не сформулировал как таковую теорию, 183.69kb.
• Тема Комплекс игровых ситуаций как условие развития интереса при изучении народных, 292.57kb.
• I концентрация  Медитация, 638.92kb.
• План издания учебной и научной литературы на 2010/2011 учебный год Минск бгму 2010, 2234.34kb.
• Методика как теория обучения иностранным языкам. Предмет и задачи методики. Связь, 661.66kb.
• Государственное бюджетное учреждение культуры зао г. Москвы, 182.39kb.
• И. Г. Любовь, дом и семья в русской литературе, 2940.59kb.
• Предисловие, 2903.16kb.
• Предисловие, 1713.13kb.
• Ссылка: Предисловие, 7.11kb.

5.3. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ — ФОРМЫ БЫТИЯ МАТЕРИИ

Пространство и время — всеобщие формы бытия материи и, бу­дучи также предельными понятиями, не могут быть определены через ближайший род и видовое отличие. Что такое пространство и время, мы выясняем с помощью целого ряда определений и характеристик.

Прежде всего, пространство и время могут быть определены че­рез признаки, хорошо известные нам из опыта Пространство—это протяженность или сосуществование вещей, а время—длительность.

Изначальный простейший смысл протяженности и длительно­сти нам известен из чувственного опыта, точнее, чувственного вос­приятия, на уровне которого эти фундаментальные формы бытия впер­вые отображаются человеческим сознанием. Этот изначальный и про­стейший смысл протяженности и длительности, заданный чувственно, не может быть исчерпывающе описан в понятиях точно так же, как никакое понятие не может нам разъяснить, что такое “красное” непо­средственно, как таковое. Однако на уровне понятия протяженность и длительность выражаются в абстрагируемых от них признаках, кото­рые обозначаются как измерения Известное нам до сих пор про­странство характеризуется тремя измерениями, время — одним изме­рением: оно течет только от прошлого к настоящему и будущему. Од­номерность времени связана, поэтому с однонаправленностью и необ­ратимостью — оно течет только в одном направлении — к будущему (“стрела времени”). Пространство, напротив, характеризуется" обрати­мостью' движение в пространстве возможно в “прямом” и “обрат­ном” направлении, пространство не содержит никаких “запретов” на “обратное” движение.

Пространство и время, далее, обладают однородностью, раз­личные “точки” пространства одинаковы, тождественны, так же как тождественны и различные моменты времени. Пространство изотро­пно, т. е все направления в пространстве сами по себе равноценны, одинаковы.

Все перечисленные свойства пространства представляют собой условия или формы, в которых выражается бесконечное качествен­но-количественное многообразие материальных вещей и явлений.

С позиций научного материализма, который основывается на данных частных наук, пространство и время — не самостоятельные, независимые от материи реальности, а внутренние формы ее бытия. Диалектический материализм преодолел прежнее механистическое по­нимание пространства и времени, в классической форме изложенное Ньютоном, согласно которому пространство — это пустота, вместили­ще вещей, а время — независимый от материи абсолютный процесс

В соответствии с данными частных наук, диалектический мате­риализм рассматривает пространство и время как объективные формы бытия материи, отвергая субъективно-идеалистические представления о пространстве и времени как “априорных формах созерцания” (Кант) или “упорядоченных системах рядов ощущений” (Мах и Авенариус) и т. д.

Пространство и время — две противоположные, взаимосвязан­ные и взаимодополняющие формы бытия материи. Сосуществуя в пространстве, вещи могут существовать во времени, и, наоборот, су­ществуя во времени, вещи образуют пространственные структуры. Каждая из основных форм бытия выступает, таким образом, в качес­тве условия другой. Эта диалектическая взаимосвязь и взаимодополне­ние пространства и времени были раскрыты позднее теорией относи­тельности А. Эйнштейна. В первоначальной форме взаимосвязь и вза­имодополнение пространства и времени были гениально подмечены Гегелем в “Философии природы”.

Многообразие форм пространства и времени

В течение многих столетий полагали, что реальное пространс­тво может быть только прямолинейным, каким его описал еще в III в. до н. э. древнегреческий математик Евклид. Пространство непосредс­твенно окружающего нас макромира, евклидово пространство, харак­теризуется прямой линией, лишенной кривизны плоскостью; сумма углов треугольника в таком пространстве равна 2d. Важнейшие свойс­тва прямолинейного пространства выражаются постулатом о парал­лельных прямых, согласно которому через точку на плоскости, не ле­жащую на данной прямой, можно провести одну и только одну пря­мую, параллельную данной прямой. Однако в XIX в. ряд выдающихся математиков почти одновременно пришли к мысли о возможности су­ществования пространства с принципиально иной геометрией. Исходя из ясно осознанного представления о зависимости метрики пространс­тва от материальных тел, НИ Лобачевский (1792-1856) разработал первый вариант геометрии криволинейного пространства (1826), в ко­торой через точку на плоскости можно провести более одной прямой, параллельной данной, сумма углов треугольника меньше 2d и т.д. Вве­дя новый постулат о параллельных, Лобачевский подучил внутренне непротиворечивую геометрическую теорию. Пространство Лобачевс­кого можно представить (правда, только в двух измерениях) в виде во­гнутого пространства граммофонной трубы. В трех измерениях криво­линейное пространство наглядно непредставимо. Близкие варианты криволинейной геометрии были разработаны венгерским математиком Я. Болъяи и немецким математиком К. Ф. Гауссом. Несколькими деся­тилетиями позже вариант геометрии выпуклого пространства (где сумма углов треугольника больше 2d) создал немецкий математик. Б. Римом (1854),

Появление неевклидовой геометрии представляло собой круп­ный революционный шаг в развитии естествознания, хотя полностью значение этого шага было осознано только в XX в. с появлением тео­рии относительности. Революционный характер новых представлений заключался в разрыве с наглядно представимыми относительно про­стыми идеями геометрии, что потенциально означало глубокий пере­смотр взглядов на материальный мир.

Действительное революционное значение неевклидовой геомет­рии стало выявляться только тогда, когда ее представления начали по­лучать все более содержательный физический смысл, ибо до этого они оставались пока чистыми абстракциями, лишенными содержательной физической интерпретации.

Современные физические представления о пространстве и вре­мени связаны с одной из величайших физических теорий — специаль­ной (1905) и общей (1915-1916) теорией относительности. А Эйнштейна

Возникновение теории относительности как новой обобща­ющей физической теории, отличной от господствовавшей несколько веков теории Ньютона, было вызвано потребностями развития физи­ки, стремлением к объединению физического знания. Специальная теория относительности (СТО) основывается на двух принципах: по­стоянства скорости света в пустоте и относительности. Согласно первому принципу или постулату скорость света в пустоте является предельной скоростью физического взаимодействия. Постулат относи­тельности утверждает, что законы электромагнитных явлений инвари­антны, независимы от равномерного и прямолинейного движения систем. На основе этих принципов Эйнштейн разработал теорию фи­зического пространства и времени, в которой последние оказываются зависимыми от движения физических тел. по мере приближения ско­рости движения тел к скорости света протяженность тел сокращается, а время течет медленнее. Используя формулы Лоренца, который вкла­дывал в них иной, слишком буквальный физический смысл, эту зависимость можно представить следующим образом.





где
l_v — протяженность движущегося тела, а 1₀ — покоящегося, v — скорость движения тела, с — скорость света


где
t_v —время движущегося тела, t₀ — время покоящегося тела

Сокращение длины движущегося тела нельзя понимать букваль­но, как физическое сокращение расстояний между молекулами, физи­ческое сжатие. Точно так же не следует буквально понимать замедле­ние течения времени. Эйнштейн открыл весьма фундаментальное свойство пространства и времени — быть объективно различными в различных физических системах.

Представим, что с Земли отправляется в космическое путешес­твие ракета, движущаяся со скоростью, составляющей 0,9999 скоро­сти света Допустим, что в системе ракеты реально истек один год, т. е люди постарели на один год, пружинные часы, находящиеся на ракете, отметили промежуток времени, равный одному году, радиоак­тивные вещества подверглись распаду в количестве, соответствующем одному году, и т. д. В то же время на Земле так же реально истечет 70 лет, т е. вернувшиеся на ракете люди, постаревшие всего на один год, встретятся на Земле со своими детьми или даже внуками, которые бу­дут старше их.

СТО впервые ввела в науку также представление о тесной вза­имосвязи и взаимодополнительности пространства и времени. С точки зрения СТО поведение любого тела можно описать только с помощью четырех взаимозависимых координат — трех пространственных и вре­менной. Физические процессы протекают в “четырехмерном про­странстве” (“четырехмерном мире Минковского”), что, разумеется, нельзя понимать буквально, как существование собственно пространс­тва с четырьмя измерениями

СТО объединила физические представления только примените­льно к так называемым “инерциальным системам”, т.е. системам, дви­жущимся равномерно и прямолинейно. Общая теория относительно­сти (ОТО) представляет собой дальнейшее обобщение физической теории, относящейся к любым, инерциальным и неинерциальным, сис­темам. Центральным постулатом ОТО является принцип эквивалентно­сти инерциальной и гравитационной масс. ОТО исходит из признания наиболее широким и универсальным физическим взаимодействием в видимой Вселенной тяготения, которое определяет свойства про­странства и времени. Поэтому ОТО один из крупнейших физиков со­временности В.А. Фок назвал общей теорией тяготения С позиций ОТО протяженность и длительность зависят от интенсивности грави­тации: чем интенсивнее поле тяготения, тем меньше протяженность и медленнее течет время. Однако еще больший интерес представляет введенное Ото понятие о кривизне пространства, связанного с самой природой поля тяготения.

Представление о кривизне пространства тяготения получило блестящее подтверждение в наблюдениях солнечного затмения (1919 г.), которое происхо­дило на фоне группы ярких звезд, что позволило вычислить наблюдаемую вели­чину кривизны околосолнечного пространства. Эта величина оказалась весьма близкой той, которую определил ранее Эйнштейн

На основе ОТО возникла релятивистская космология, в кото­рой выдвинут ряд моделей видимой Вселенной. Как было показано нашим соотечественником А.А.Фридманом, уравнения ОТО допуска­ют решения, которые рассматривают видимую Вселенную как эволю­ционирующую. Эволюция видимой Вселенной заключается прежде всего в ее расширении, в процессе которого происходит образование наблюдаемых в настоящее время физических объектов — вещества, поля, элементарных частиц, галактик, небесных тел и т. д. Благодаря открытию Хабблом (1929) “красного смещения” спектра удаленных галактик, которое было истолковано (на основе “эффекта Допплера”) как свидетельство “разбегания галактик”, а также “реликтового излу­чения” с температурой примерно 3°К, была разработана теория “горя­чей Вселенной”, или, иначе, расширяющейся Вселенной. Согласно этой теории наша Вселенная (Метагалактика) 15-20 млрд. лет назад возникла в результате космического Большого взрыва, которому пред­шествовало так называемое “сингулярное” (“особенное”) состояние, когда материя видимой Вселенной была “стянута в точку”, находилась в сверхплотном состоянии, характеризующемся бесконечной плотно­стью, температурой, кривизной пространства Представление о сингу­лярном состоянии как “стянутой в точку” материи с бесконечными значениями физических величин является, конечно, идеализацией, по­скольку физика не располагала средствами установить размеры (ради­ус) видимой Вселенной в ее исходном сверхплотном состоянии.

Вопрос о свойствах пространства видимой Вселенной и связан­ный с ним вопрос о ее будущем может быть решен в зависимости от реальной величины средней плотности физической материи в види­мой Вселенной, что может быть сделано только на основе эмпиричес­ких наблюдений. В релятивистской космологии принято, что сущес­твует критическая величина средней плотности, равная приблизитель­но 10~² г/см³, т. е. 10 атомам водорода в одном кубическом метре. Ес­ли реальная средняя плотность материи меньше критической, про­странство видимой Вселенной обладает отрицательной кривизной, а расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно (модель “от­крытой Вселенной”). Согласно этой модели во Вселенной через 10³³ и более лет распадутся все протоны, вещество превратится в разряжен­ный газ электронов, позитронов, фотонов, а в интервале от 10⁶⁰ до 10¹⁰⁰ лет испарятся и так называемые “черные дыры” (сверхплотные состояния вещества, возникающие в результате гравитационного “кол­лапса”, в которых тяготение “запирает” световое излучение)⁵⁴.

Если средняя плотность материи оказывается больше критичес­кой, расширение Вселенной в будущем сменится сжатием, коллапсом, в результате которого возникнет новое сингулярное состояние. Со­гласно С. Вайнбергу, единственная альтернатива человечеству во Все­ленной — “либо быть сожженными в закрытой Вселенной, либо быть замороженными — в открытой”⁵⁵.

В последние годы модель расширяющейся горячей Вселенной была дополнена представлением о “раздувающейся”, в некоторый ранний период, Вселенной.

Нередко, особенно в популярной литературе, открытую Вселен­ную, с пространством отрицательной кривизны, называют бесконеч­ной, а закрытую — конечной. Однако, как отметил В.А. Фок, речь здесь может идти только об “открытой” или “закрытой” моделях Вселенной, а не о бесконечности или конечности пространства в строгом смысле слова.

С релятивистской космологией, появлением концепции эволю­ционирующей Вселенной в физику и космологию, их фундаменталь­ные концепции впервые входит глубокая идея развития, физика стано­вится эволюционной наукой.

Философское значение теории относительности заключается прежде всего в том, что она подтвердила диалектико-материалистическое понимание пространства и времени, их неразрывной связи друг с другом и материей. Марксистская философия в своем принципиаль­ном содержании не вступила в противоречие с новыми революцион­ными взглядами в физике. Однако было бы большим упрощением ду­мать, что философский смысл новой теории заключался только в под­тверждении уже существовавших положений научной философии. Главное в содержании и значении теории Эйнштейна, а вместе с ней и неевклидовой геометрии, состояло в том, что она дала материал и тол­чок для существенного углубления научной философской концепции пространства, времени, движения и материи. Она наполнила более глубоким содержанием понятие связи пространства и времени, их за­висимости от материи.

С теорией относительности и неевклидовой геометрией в науку и философию входит понятие о различных формах пространства и времени, ставится целый ряд новых философских проблем.

Наконец, величайшее значение теории относительности и неев­клидовой геометрии состоит в том, что они дали богатейший урок творчества, творческого пересмотра казавшихся незыблемыми пред­ставлений о неизменных пространстве и времени, об их абсолютном характере. Философские понятия о пространстве и времени сохранили свое наиболее общее и абстрактное содержание, но были подняты на существенно более высокий теоретический уровень.

С новыми представлениями о пространстве и времени более глубоким содержанием наполнилось и понятие объективной реально­сти, которое было опосредовано понятием об относительности и многообразии пространственно-временных форм объективно-реального существования.

Некоторые нерешенные проблемы теории пространства и времени

Проблема измерений. Новая концепция пространства и времени привела к заостренной постановке проблемы измерений. Может ли пространство иметь более чем три, а время — более чем одно измере­ние⁵⁶? С общей теоретической точки зрения это можно допустить. В современной науке разработаны, например, представления о пяти-, во­сьми- и более мерном пространстве, о более, чем одномерном време­ни. Однако не существует никаких общих философских или естествен­нонаучных положений, которые позволяли бы однозначно решить эту проблему. Нет и никаких эмпирических данных для такого решения.

Проблема многообразия форм пространства и времени. В на­стоящее время существует большое многообразие подходов к изуче­нию пространства и времени, с которыми связаны существенно раз­личные трактовки форм пространства и времени. Так, различают мет­рическое и неметрическое пространства. Пространство, описываемое евклидовой и неевклидовой геометриями, относится к первому, в ко­тором существенное значение имеет расстояние. В неметрическом, например топологическом, пространстве расстояние оказывается не­существенной, “не сохраняющейся” величиной. Применительно к то­пологическому пространству коренным образом меняется понятие бесконечности. В метрически конечном пространстве может, напри­мер, мыслиться топологически бесконечное пространство. Если ока­жется, что пространство реальной Вселенной является топологичес­ким, а не метрическим, это приведет к весьма серьезным пересмотрам материалистической концепции мира. Разумеется, решающую роль при выяснении природы окружающего нас пространства должны сы­грать эмпирические, частные науки, опирающиеся на методы наблю­дения. Однако в решении вопроса о природе реального пространства активную роль должна сыграть и научная философия. С философской точки зрения необходимо учесть прежде всего, что вопрос о соответс­твии той или иной мыслительной модели пространства и времени объ­ективной реальности решается далеко не просто. Возможность созда­ния самых разнообразных и “диковинных” абстракций пространства и времени вовсе не означает, что эти мыслимые формы пространства и времени существуют где-то реально. Не существует буквально, как та­ковое, так называемое четырехмерное пространство, поскольку чет­вертое измерение этого “пространства” является временным. Матема­тика и физика широко применяют понятие о многомерных пространствах, которые не имеют буквального смысла и являются математичес­кими фикциями или идеализациями, обозначающими многофазовые состояния физических систем, а не реальные пространственные изме­рения. Вполне вероятно, что топологическое пространство является только абстракцией каких-то существенных сторон реального метрического про­странства и не существует реально, как таковое, нигде в мире.

Мысль о зависимости пространства и времени от свойств мате­рии получила в современной науке широкое распространение. Были даже предприняты попытки различить формы пространства и времени в связи с различными формами материи — физической, химической, биологической и социальной. Однако при этом не было обнаружено каких-либо существенных специфических черт пространства и време­ни в химической, биологической, социальной формах материи, кото­рые позволили бы сделать вывод о реальности таких форм пространс­тва и времени. По-видимому, следует признать, что пространство и время находятся в существенной зависимости только от базовых форм материи (в нашей части Вселенной это физическая форма материи), которые характеризуются такими мощными факторами, как например, гравитация. Химические процессы, жизнь и социальная жизнь проте­кают, очевидно, в физическом пространстве.

Может ли время течь обратно''' Такое предположение выска­зывалось рядом ученых. Так, американский физик Р. Фейнман разра­ботал представление о позитроне как электроне, движущемся в обрат­ном направлении времени. Однако это представление не имело реаль­ного физического смысла. Принято, что физические процессы и, сле­довательно, время, являются необратимыми в двух смыслах: фактуальном и помологическом. Фактуальный смысл необратимости состоит в том, что обращение процессов во времени никогда не происходит и запрещается по следующим соображениям: некоторые частные усло­вия де-факто (начальные или граничные), существующие во Вселен­ной независимо от какого-либо закона (или законов), совместно с со­ответствующим законом (или законами) делают обращение во време­ни де-факто невозможными, хотя никакой отдельный закон или ком­бинация разных законов сами по себе не запрещают такого обраще­ния. Необратимость в помологическом смысле означает, что, наобо­рот, обращение во времени запрещается каким-то законом или комби­нацией законов⁵⁷.

Фактуальное основание идеи необратимости времени включает три аспекта: энтропийный, электродинамический и космологический. Согласно второму началу термодинамики термодинамические процессы в замкнутых системах всегда приводят к возрастанию (или, в край­нем случае, к сохранению) энтропии — меры неупорядоченности про­цессов. С точки зрения термодинамики любая замкнутая физическая система стремится к уменьшению организованности, упорядоченно­сти, а не наоборот. Второе начало термодинамики, в его первоначаль­ной общей формулировке Клаузиуса и Томсона, рассматривалось как убедительное помологическое свидетельство в пользу идеи необрати­мости времени (впервые необратимость времени была связана со вто­рым началом термодинамики Больцманом). Однако статистическое, вероятностное истолкование второго начала Больцманом, заменившим динамическую интерпретацию этого закона, означало, что возраста­ние энтропии происходит только с большей вероятностью, чем убыва­ние, которое, таким образом, должно было быть понято как обрати­мость времени. С этой точки зрения казалось возможным так называ­емое “чудо Джинса”, когда вода, поставленная в горячую печь, замер­зает, а печь еще больше нагревается.

Более того, статистическое истолкование второго начала приве­ло к так называемому “парадоксу обратимости”, согласно которому переходы к низшим значениям энтропии происходят столь часто, сколь и переходы к высоким значениям⁵⁸. Ю.Б. Молчанов считает, что в современной физической и философской литературе “не найдено сколько-нибудь убедительных доводов против возражения, основан­ного на “парадоксе обратимости”. Между тем фактуально, то есть эм­пирически, “обоснование направления времени с помощью энтропий­ных или статистических процессов является однозначным и неопрове­ржимым, ибо нам не известно ни одного факта самопроизвольного протекания процессов в порядке, обратном протеканию большинства процессов нашего окружения”⁵⁹.

Следующим фактуальным основанием идеи необратимости те­чения времени является рассеяние электромагнитного излучения, ко­торое распространяется в пространстве от любого источника света в виде сферической волны, никогда не возвращающейся обратно, к своему источнику. Обратимость процессов электромагнитных излуче­ний совершенно немыслима с точки зрения физики. Однако законы электродинамики не содержат никаких запретов для обратного движе­ния процессов, и поэтому современная электродинамика также не дает помологического обоснования идеи необратимости времени.

Космологическое обоснование идеи необратимости времени связано с наблюдаемым в известной части Вселенной явлением разбегания галактик, расширением наблюдаемой части Вселенной. Но со­временной астрономии и астрофизике не известно никакого принци­па, запрещающего обратный процесс сжатия материи в видимой части Вселенной. Более того, процесс сжатия, с точки зрения релятивистс­кой космологии, является весьма вероятным (заметим, однако, что с точки зрения термодинамики бесконечно пульсирующая от сжатия к сжатию Вселенная невозможна).

Таким образом, естественнонаучные обоснования идеи необратимо­сти времени в настоящее время имеют, по-видимому, только фактуальный характер и связаны, по Грюнбауму, с оценкой роли начальных или гранич­ных условий де-факто. Подчеркивая роль фактуального подхода, Молчанов отмечает. “Обращение времени означало бы неестественное протекание процессов: мертвецы вставали бы из могил и оживали из пепла и праха в процессах, обратных горению и разложению, которые “всасывали” бы теп­лоту и электромагнитное излучение из окружающей среды, в результате синтеза возникали бы новые вещи и т.д.”⁶⁰.

Молчанов высказал ряд философски перспективных соображений относительно роли начальных, или граничных, условий. “Представляется все же сомнительным, чтобы начальные, граничные условия были номологически случайными. Они оказываются более чем просто регулярными и приводят к слишком уж железной необходимости, которая обусловливает необратимость всех без исключения процессов. О какой же тогда “слу­чайности” граничных условий можно говорить? Это скорее более или менее разнообразные проявления некоего общего и динамического за­кона или свойства Вселенной, чем беспорядочное стечение независи­мых друг от друга условий и обстоятельств”.



Необратимость процессов имеет “необходимый, динамический характер и, видимо, ско­рее всего есть проявление или действие какого-то единого и всеобщего закона”⁶¹.

Следует задуматься, не держит ли ключ к открытию такого зако­на, к пониманию необратимости времени философия?