Материя. Пространство время

КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ МОДУЛЯ

Тема «Материя и движение, пространство и время» имеет важное значение для формирования мировоззрения студентов. Цель лекции - раскрыть взаимосвязь категорий материи, движения, пространства и времени.

Особое внимание уделяется проблеме движения и разных подходов его осмысления, а также научному обоснованию положений философии относительно пространства и времени.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

1. Развитие представлений о связи материи и движения в истории философии

2. Понятие движения, его свойства, типы и формы

3. Проблемы источника движения

4. Пространство и время

1. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СВЯЗИ МАТЕРИИ И ДВИЖЕНИЯ В ИСТОРИИ ФИЛОСОФИИ

Одним из фундаментальных принципов современного взгляда на мир является утверждение о неразрывности материи и движения. Материя не может существовать сама по себе как неизменное статичное образование. Она приобретает свой статус бытия и действенности только в связи с движением.

На протяжении всей истории философской мысли разрабатывалось мыслителями учение о движении.

Так, древнегреческие философы (Фалес, Анаксимен, Гераклит) рассматривали материальные начала вещей как непрерывно изменяющиеся, находящиеся в вечном движении. Атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар считали движение атрибутом материи.

Однако, верно схватывая общий вид картины, представления древнегреческих философов о природе движения все же носили умозрительный характер (т.е. не имели естественнонаучного подтверждения).

Дальнейший шаг в изучении природы движения был сделан мыслителями XVII - XVIII в.в. Они придерживались двух противоположных взглядов на соотношение материи и движения. Первый рассматривал движение в исключительно механической форме (Декарт, Ньютон, Гоббс). В частности, по мнению Гоббса, движение - это перемена места, т.е. оставление одного места и достижение другого. Такое представление о движении не было случайным: в этот период получила преимущественное развитие наука механика. Поэтому среди ученых сложилось убеждение, что механическое перемещение есть единственная форма движения.

Данный подход невольно создавал представление о том, что движение может быть вызвано внешней силой (и содержал возможность теологического вывода о первотолчке, т.е. о Боге).

Второй взгляд исходил из принципа самодвижения материи, который был сформулирован еще античными диалектиками (Бруно, Бэкон, Спиноза).

Английский мыслитель Толанд вступает в полемику со Спинозой и всеми теми, кто считал материю бездейственной. По мнению Толанда, такой взгляд на материю мог укорениться потому, что пространственное движение отдельных вещей не отличалось философами от движущей силы (или активности материи). Первое есть только смена пространственного состояния вещи, и является результатом действия на вещь внешней силы. Вторая - активность материи - присуща материи, является ее внутренним атрибутом.

Признание атрибутивного характера движения требовало признания его несотворимости и неуничтожимости. Толанд не вмешивается в споры о несотворимости и неуничтожимости движения. Его единственная забота - доказать, что материя по необходимости такая же активная, как и протяженная. Поэтому те, кто считают материю созданной, могут верить в то, что Бог первоначально наделил ее активностью, как и протяженностью. Те же, кто считают ее вечной, могут думать, что она вечно деятельная. Но в любом случае, материя и движение, с точки зрения Толанда, не могут быть уничтожены.

Большое значение для развития учения о движении имели идеи выдающегося представителя немецкой классической философии Гегеля. Хотя он и отрицал развитие в природе (она лишь «разнообразится» в пространстве), но высказывал глубокие мысли о противоречии как источнике развития. Гегель открыл наиболее общие законы движения. Но поскольку он был идеалистом, то его диалектика носила мистический характер (речь шла о развитии Идеи, Мирового Духа).

Маркс и Энгельс известны как создатели материалистической диалектики. Основоположники марксизма соглашаются с Гегелем в том, что диалектика является философской методологией, которая требует рассматривать явления в системе присущих им связей и с учетом развития объектов. Однако их не устраивает идеалистический характер диалектики. Маркс и Энгельс справедливо подчеркивают оторванность гегелевской диалектики от реальных процессов природной и социальной действительности.

Заслугой Маркса и Энгельса является то, что они впервые в истории философии придали диалектике материалистический характер. Это позволило преодолеть ограниченность теории Гегеля, в которой диалектика останавливается только на анализе движения идей. Теперь в поле исследования оказались природные и социальные явления.

В диалектическом материализме понятие движения охватывает все изменения и процессы, происходящие во Вселенной, начиная от пространственного перемещения и кончая мышлением. Энгельс отмечает, что движение не сводится только к пространственному перемещению. Движение в применении к материи - это изменение вообще. Согласно классикам марксизма, движение принадлежит материи в качестве ее атрибута и представляет собой самодвижение.

2. ПРОБЛЕМА ИСТОЧНИКА ДВИЖЕНИЯ

Вопрос об источнике движения является фундаментальной проблемой философии, рассматриваемой с древних времен.

Экскурс в историю развития представлений о связи материи и движения позволяет выделить два подхода к данной проблеме, которые могут носить как материалистический, так и идеалистический характер. Первый источник связан с выводом о наличии у всякого движения внешнего источника.

Представители другого подхода разрабатывали идею самодвижения материи.

Многие исследователи считают, что идея самодвижения должна удовлетворять, прежде всего, материалистическому монизму: его принципу самоорганизации и самодезорганизации (под влиянием внутренних противоречий).

Под самоорганизацией имеется в виду процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы без участия внешних сил или причин. Процессы самоорганизации носят спонтанный характер.

Большинство авторов учебников по философии придерживается данного направления мысли об источнике движения. На вопрос, каким образом происходит возникновение в мире новых систем, они ссылаются на синергетику: флуктуация (от лат. fluctuacio - колебание, случайное отклонение) - всеобщая форма изменения.

Один из основателей синергетики И. Пригожин (бельгийский ученый русского происхождения) считает, что возникновение жизни на Земле и многие социальные процессы укладываются в построение синергетики.

Другие объяснения, не удовлетворяющие принципу материалистического монизма, авторами учебной литературы ставятся под большое сомнение и не принимаются всерьез (концепция «творческой эволюции» и «эмерджентной эволюции». Так, А.Бергсон источник качественных изменений видел в «потребности творчества» сверхсознания. Представители концепции «эмерджентной эволюции» движущую силу качественных изменений видели в «низусе» (лат. nisis - порыв, устремление) - в стремлении к высшему началу.

Однако среди философов и ученых существуе мнение, что идея самодвижения материи (со ссылкой на синергетику) все же не приближает к поиску истины. Прежде всего не всех может удовлетворить расплывчатое утверждение о том, что причина движения материи в самом движении (она есть выражение ее внутренней активности, т.е. представляет собой самодвижение). Их позиция сводится к следующим утверждениям.

В духе всех языков мира материя продолжает оставаться тем, из чего состоят тела (другими словами, веществом). Развитие физики подтвердило: то из чего состоят тела, движется. В связи с этим некоторые из представителей науки и атеизма стали делать упор на то, что материя неотделима от движения.

Но в то же время движение характеризует и психическую жизнь.

Поэтому часть ученых и философов считает, что применительно к психической жизни более гибким и значительным понятием выступает понятие энергии.

Во все времена и на всех языках энегия есть то, что движет (сила). Что касается понятия движения, то оно само по себе бескачественно и может быть прилагаемо к чему угодно (движение стрелки циферблата, движение гонимого ветром песка, движение руки, движение электоронов, движение души и т.д.).

Разумеется, и все энергии (механическую, тепловую, атомную, элетромагнитную и др.) при желании можно свести к движению. В этом случае нейтральное слово “движение” нужно дополнять теми или иными оговорками ради избежания вопроса о его причине. Но вопроса все равно не избежать: движение должно иметь какую-то причину. Нет смысла прикрываться тавтологией: причина движения в самом движении (противоречия сами по себе как нечто безличное не снимают остроту вопроса).

Оставившие свой след в истории человечества философы, ученые, писатели, поэты видели и видят в природе не механические (случайные и спонтанные) комбинации вещества, а проявления жизни Вселенной. Вселенная в их представлении выступала не как некое бессмысленное вместилище для вечно движущейся материи, а как таинственное Целое, движимое духовным принципом или творческой энергией.

Таким образом, на протяжении веков и тысячелетий люди всегда стремились увидеть за “видимым” “невидимое”. Их догадки и рассуждения в явной и неявной форме содержали зачатки сложнейшей теории о психической энергии…

Идея, что духовный принцип, или Душа Мира, или Мировой Разум (или, как мы говорим, психическая энергия) существует наряду с материей-веществом, - идея старая и в истории философии повторяется бесчисленное множество раз. В этом сходятся самые разнообразные мыслители - и Платон, и Эпикур, и Пифагор, и Декарт, и Спиноза, и Дж. Бруно, и М.В. Ломоносов, и Вл. Соловьев, и А. Эйнштейн и др.

В книге «Основы миропонимания новой эпохи» А.К. Клизовский пишет: «Основная ошибка большинства мыслителей современного западного человечества состоит в том, что они считают Дух и Материю элементами разными, друг другу противоположными, между тем как Дух и Материя едины и являются двумя полюсами одного и того же Первичного Элемента… Вся беспрерывность космического творчества, проявляющаяся в бесконечном разнообразии всевозможных форм жизни, заключается в различных сочетаниях Духа и Материи, обладающими разными вибрациями»1.

Сегодня в науке уже используется понятие «информационное поле Вселенной». Этот термин появился недавно и заменил старое понятие Мирового Разума2.

Вышеизложенное дает возможность сделать вывод о том, что психическая энергия - атрибут Вселенной…

Что касается первичного происхождения психической энергии, то оно теряется в космической неизвестности так же, как и происхождение всех энергий (в т.ч. и материи).

Психические явления отличаются от мира вещественного и подчиняются своим, особым законам. Вся сложность жизни человеческого тела находится в зависимости от психической энергии. В то же время между всеми энергиями, действующими в теле человека, существует тесная связь. Однако энергии человеческого организма не равноправны (у каждой - химической, тепловой, витальной, электромагнитной, психической - своя роль). Физико-химические энергии лежат в основе тела человека, но произвольными движениями командуют не они, а психическая энергия человека.

Есть все основания выделить психические феномены в особую энергию, находящуюся в тесной взаимосвязи с энергиями Вселенной.

Качественно психическая энергия не может быть ниже материи-вещества. Материя и сознание (дух) - это две стороны объективной реальности (Абсолюта).

В настоящее время мировая наука выходит на новый этап своего развития (за счет возникновения комплексных научных дисциплин, объединяющих в себе методы, понятия, теории и достижения нескольких наук и научных направлений). Примером их является не только синергетика. В частности, парапсихология концентрирует в себе узловые вопросы и проблемы психологии, медицины, физики, биологии, космогонии, философии1. Изучение всех этих вопросов синтезной наукой существенно изменит лицо современного естествознания, приведет к прогрессу в решении фундаментальных, методологических проблем науки, в том числе и к более глубокому пониманию сущности материи и движения, источника движения.

3. ПОНЯТИЕ ДВИЖЕНИЯ, ЕГО СВОЙСТВА, ТИПЫ И ФОРМЫ

Движение - это способ существования материи, ее всеобщий атрибут. В самом общем виде под движением понимают всякое изменение. Движение - это и обмен веществ в клетках организма, и взаимное превращение элементарных частиц, и расширение физического мира, и обмен деятельностью между людьми, и мышление.

Основными свойствами движения являются единство изменчивости и устойчивости, прерывности и непрерывности, абсолютности и относительности.

Любой объект материи существует благодаря тому, что в нем воспроизводятся определенные типы движения. При их уничтожении объект прекращает свое существование, переходит в другие объекты, характеризующиеся, в свою очередь, определенным набором типов и форм движения.

В то же время обыденное сознание противопоставляет движение покою. Однако предметы, которые мы называем покоящимися, на самом деле находятся в состоянии движения. Так, наш дом покоится относительно поверхности Земли, но он вращается вместе с Землей в пространстве относительно Солнца. Вместе с Землей и Солнцем он вращается вокруг центра нашей Галактики.

Далее. Если посмотреть на дом в электронный микроскоп, то обнаружится, что он находится в состоянии какого-то бурлящего движения, где одни частицы постоянно переходят в другие. И это можно сказать о любом объекте окружающего мира.

Однако при всех изменениях того или иного объекта сохраняется, воспроизводится во времени некоторый набор признаков, который позволяет говорить о нем как определенном объекте, отличном от других объектов.

Таким образом, понятие покоя представляет собой обозначение тех состояний движения, которые обеспечивают стабильность объекта, сохранение его качества. Поэтому покой относителен, а движение абсолютно. Движение абсолютно, так как реализует процесс перехода вещей в качественно новые структурные образования.

Методологическое значение покоя заключается в том, что он выступает существенной функцией дифференциации материи, производит ее деление на конкретные предметные образования, имеющие свою внутреннюю определенность, позволяющую им отличаться друг от друга. Т.о., с покоем связана дискретность материальных образований.

В связи с вышеизложенным правомерно выделить два основных типа движения. Первый тип - это движение, когда сохраняется качество предмета. Кроме него существует один тип движения, связанный с переходом от одного качества к другому, с изменением качественного состояния предмета. Это может быть распад предмета на составляющие его элементы. Но может быть и более сложный процесс, когда благодаря взаимодействию объекты образуют сложную систему.

Процессы, связанные с преобразованием качества предметов, с появлением новых качественных состояний, характеризуются как развитие.

Выделяют две разновидности развития. Первая разновидность - это процессы качественных превращений, не выходящие за рамки соответствующего вида материи, определенного уровня ее организации. Вторая - процессы перехода от одного уровня к другому.

Примером первой разновидности развития является эволюция звезд, а примером второй - переход от неорганической природы к органической.

Изменения, происходящие с вещами и явлениями, качественно разнообразны и зависят от специфических видов (уровней) материи. Поэтому все бесконечное многообразие движений, реализующихся в мире, объединяют в определенные формы движения, понимая под последними способы изменения качественно определенных видов материи. Друг от друга все формы движения отличаются следующими признаками: 1) спецификой объекта (носителя движения и покоя); 2) своеобразием происходящих с ним изменений и способов его устойчивости; 3) наличием особых законов движения, характерных именно для данных объектов.

Идея о формах движения материи и их взаимосвязи выдвинута Ф. Энгельсом. Он выделил 5 форм движения: механическая (перемещение тел в пространстве), физическая (тепловые, электрические, магнитные и др. процессы), химическая (взаимодействия атомов и молекул), биологическая (развитие и функционирование живых организмов), социальная (общественные явления и процессы).

В учении о формах движения Ф.Энгельс показывает, что каждая из них имеет свой определенный тип материального носителя. Формы движения материи различаются по степени сложности (одни из них являются высшими, другие - низшими). Высшие формы движения на основе низших, но не сводятся к ним.

Современная наука изучает ряд новых форм движущейся материи: минеральную, геологическую, планетарную, термоядерную и др. По-новому поставлена проблема взаимоотношения физических и химических форм движения: с одной стороны, химическая форма движения возникает из взаимодействий микромира, а с другой стороны, является условием появления молекулярного-физического движения.

В новом свете предстала и проблема соотношения механического и физического движения. Если наука XIX в. рассматривала механические процессы как генетическую основу физической формы движения, то наука XX в. перестала рассматривать механическое движения как фундамент физических процессов (напротив, оно обусловливается глубинными процессами взаимопревращения элементарных частиц). Более того, механическое движение не связано с каким-либо отдельно взятым структурным уровнем материи. Это скорее аспект (срез), характеризующий взаимодействие нескольких уровней. При этом нужно различать квантово-механическое движение, характеризующее взаимодействие элементарных частиц и атомов. И макромеханическое движение макротел.

Все формы движущейся материи связаны друг с другом. Однако высшие формы движения нельзя свести (редуцировать) целиком и полностью к низшим формам. Например, развитие человеческого общества невозможно понять, опираясь только на биологические закономерности (не принимая во внимание особенности социального развития и связи с Космосом).

Редукция сложных форм движения к простейшим называется механицизмом. В то же время недопустимо игнорировать генетические связи между качественно различными формами движения.

Современная наука показывает, что мир, в котором мы живем, является только одним из возможных миров. Причем оказывается, что уже в особенностях взаимодействия элементарных частиц заложены определенные предпосылки, возможности для развертывания более сложных форм движения… Человек и человеческое общество предстают как такая организация материи, которая обусловлена свойствами всей Метагалактики, фундаментальными характеристиками Космоса.

4. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Наряду с движением атрибутивными способами существования материи являются пространство и время. В мире нет материальных система, не обладающих пространственно-временными свойствами.

Пространство - это философская категория, которая характеризует протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Время - это философская категория, выражающая длительность существования различных форм бытия, последовательность смены состояний в изменении и развитии материальных систем.

Понятие пространства имеет смысл лишь постольку, поскольку сама материя дифференцирована, структурирована. Если бы мир не имел сложной структуры, если бы он не расчленял на предметы, которые в свою очередь не членились бы на элементы между собой, то понятие пространства не имело бы смысла. Также и понятие времени имеет смысл постольку, поскольку мир находится в состоянии движения и развития.

Следует оговориться, что в философии проблема пространства и времени разработана преимущественно по отношению к материальному бытию. Вопрос же о пространственно-временных параметрах духовных явлений весьма сложен и не имеет однозначного решения.

В истории философии и науки сформировались две основные концепции пространства и времени: 1) субстанциальная и 2) реляционная.

Согласно субстанциальной концепции, пространство и время представляют собой особые самостоятельные сущности, независимые в своем существовании от мира вещей (Демокрит, Ньютон). В этой концепции пространство - это огромное вместилище вещей и явлений. И если мир вдруг исчезнет, то от него останется все-таки некий пустой «ящик» - абсолютное, «чистое» пространство. Время же в этой концепции - непрерывная, «чистая» длительность. Время течет как бы само по себе, вне связи с материальными явлениями.

В отличие от Ньютона, Лейбниц рассматривает пространство и время не как особые субстанциальные сущности, а как формы существования материи. Эта концепция получила название реляционной (от лат. «релятивус» - относительный). Идея ее уже содержалась во взглядах Аристотеля. В рамках реляционной концепции пространство и время связаны со свойствами самих объектов.

Реляционная трактовка пространства и времени преобладает в современной науке. Тем не менее, нужно оговориться, что отрицание «ньютоновского» (вселенского, абсолютного) пространства имеет только научно-практическое значение, но неприемлемо для философии.

Если вместо «абсолютное» пространство и время сказать просто «пространство и время Вселенной», то станет очевидной правильность и логичность утверждения Ньютона. При этом не нужно считать их неподвижными и неизменными, как считали в прежние времена…

Точка зрения на субстанциальный или реляционный характер пространства и времени может разделяться как материалистами, так и идеалистами.

Значительным шагом в понимании природы пространства и времени было создание теории относительности А. Эйнштейна. Специальная теория относительности (1905 г.) доказала, что в реальном мире пространственные и временные интервалы меняются при переходе от одной системы отсчета к другой. При увеличении относительной скорости движения системы отсчета пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются.

Теория относительности также показала, 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.

Абстрагирующая способность человеческого мышления разделяет пространство и время, полагая их друг от друга. Но для описания и понимания мира необходима их совместность (чтобы описать какое-либо событие, недостаточно определить только место, где оно происходило; важно указать время, когда оно происходило).

Идеи специальной теории относительности получили дальнейшее развитие в общей теории относительности (1916 г.). Она показала, что геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения, которое, в свою очередь, определено взаимным расположением тяготеющих масс. Так, вблизи больших тяготеющих масс происходит искривление пространства (его отклонение от евклидовой метрики) и замедление хода времени.

К важнейшим свойствам пространства и времени относятся: объективность, абсолютность, относительность, бесконечность (времени), безграничности (пространства).

Объективность пространства и времени выражается в том, что они существуют реально, как и сама материя, независимо от сознания и воли людей. Абсолютность пространства и времени состоит в том, что они являются всеобщими и необходимыми формами существования материи. Относительность пространства и времени выражается в том, что их характеристики определяются состоянием движущей материи, т.е. зависят от особенностей строения объектов (что подтверждается специальной и общей теорией относительности А. Энштейна).

Общими для пространства и времени являются их метрические и топологические протяженностью материальных образований и временными отношениями, возникающими каждый раз между этими протяженностями.

Топологические свойства времени - это одномерность, необратимость, последовательность.

Топологические свойства пространства - трехмерность, обратимость свойства.

Метрические свойства пространства и времени характеризуются, непрерывность (континуальный порядок).

Специфические черты, существующие между пространством и временем: 1) пространство трехмерно, а время одномерно (оно течет от прошлого через настоящее к будущему); 2) пространство выражает протяженность материальных образований, а время - длительность их существования и последовательность развития; 3) пространство характеризуется симметрией и асимметрией, а время асимметрично.

Формы пространства и времени: реальное, перцептуальное и концептуальное пространство и время.

Реальное пространство и время - это свойства и отношения этих форм в сфере объективно реальности. Перцептуальное пространство и время - это отражение в сознании реальных пространственно-временных характеристик. Концептуальное пространство и время - это их абстрактные модели и структуры, которые выступают средствами научного описания и познания реального и перцептуального пространства и времени.

В соответствии с основными сферами материального мира (неживая природа, жизнь и общество) различают пространство и время в неживой, живой и социально организованной материи.

В неживой материи пространственно-временные свойства неоднородны и отличаются между собой рядом особенностей на уровне мега-, макро- и микромира. Современные космологические представления допускают, что Большая Вселенная состоит из множества миров, аналогичных нашей Метагалактике. В этих мирах могут быть принципиально иные формы пространства и времени.

С появлением живой природы возникает особое, биологическое пространство-время, которое обладает особой молекулярной организацией, получившей название асимметрии «правого» и «левого». Большинство органических молекул может существовать в двух формах, отличающихся пространственной ориентацией одних и тех же группировок атомов. Причем форме с «правосторонней» группировкой соответствует зеркальная ей «левосторонняя». В живых же системах составляющие их молекулы имеют лишь «левосторонние» формы.

Живая материя имеет специфику не только пространственной, но и временной организации. Например, у животных имеется два основных измерения времени. Один врожденный, эндогенный, основанный на системе внутриклеточных часов и взаимодействии клеток. Второй - механизм условных рефлексов на время, позволяющий устанавливать временные связи со средой.

Социальное пространство - это форма общественного бытия, в которой локализуется деятельность человека по определенным сферам с точки зрения места ее проявления.

Социальное время - это форма общественного бытия, в которой осуществляется расчлененность человеческой деятельности с точки зрения ее продолжительности в рамках отдельных исторических периодов.

Социальное пространство и время имеют сложную структуру. Проблема полиструктурности социального пространства-времени является предметом дискуссий и обсуждений в философской литературе. Особую важность приобретает анализ пространственно-временной структуры на разных этапах истории общества, а изучение механизмов ее изменения и развития как важного аспекта динамики социально организованной материи.

В связи с научно-техническим прогрессом человек все в большей степени покоряет земные и космические пространства. Расстояние уже не разделяет людей так, как раньше. Ускоряется также и темп жизни во всех областях. Современная наука постоянно расширяет наши представления о пространстве и времени. И нет сомнения, что последующие успехи ее приведут к раскрытию еще более удивительных свойств пространства и времени.

СПИСОК ОСНОВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Введение в философию: Учебник вузов. В 2-х ч. Ч. II. - М., 1990.

2. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия: Учебник. 2-е изд., перераб. и доп. - М., 1997.

3. Философия: Учебное пособия (Под ред. проф. В.Н. Лавриненко). - М., 1996.

4. Философия: Учебное пособие для студентов вузов (под общ. ред. проф. Ю.А. Харина). 3-е изд., доп. и исправл. - Минск, 2000г.

СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Материя - все, что существует. Окружающая действительность.
Все, что существует - материя. Атом .
Все, что не материя, не существует. Идея, Пространство, Время.
Все, что не существует, не материя. Ничто .

Мате́рия (от лат. māteria «вещество») - фундаментальное физическое понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых можно судить благодаря ощущениям.

Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве-времени) - представление, идущее от Ньютона (пространство - вместилище вещей, время - событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени - представление, идущее от Лейбница и, в дальнейшем, нашедшее выражение в общей теории относительности Эйнштейна. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления. Основной задачей физики является описание свойств тех или иных видов материи и ее взаимодействия.

Основные виды материи

• Вещество

  Адронное вещество - основную массу этого типа вещества составляют элементарные частицы адроны

  • Барионное вещество (барионная материя ) - основной (по массе) компонент - барионы

    • Дополнительный материал:

Так он постиг, что тяготенье тел
Есть внутренняя кривизна пространства,
И разум, исследивший все пути,
Наткнулся сам на собственные грани.
М Волошин

Какой опыт выявил противоречия с классическими представлениями? Какая теория изменила наши взгляды на пространство, время и материю? Что означает взаимосвязь пространства и времени и как она проявляется на опыте? Что означает влияние материальных тел на пространство и время и в каких опытах это проявляется?

Урок-лекция

КЛАССИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА, ВРЕМЕНИ И МАТЕРИИ . Вспомним основные свойства пространства и времени:

1. Мы живем в трехмерном пространстве. Это означает, что положение любой точки в некоторой выбранной системе отсчета можно задать тремя числами - координатами. Координаты точки зависят от выбора системы отсчета, но расстояния между двумя любыми точками одинаковы во всех системах отсчета.
2. Пространство и время не связаны между собой. Это означает, что измерение времени не зависит от движения часов в пространстве, а измерение расстояния не зависит от того, в какой интервал времени оно выполняется.
3. Измерение расстояния и времени не зависит от свойств тел, находящихся в области пространства, где производится измерение. Пространство и время не зависят от материи.

Точность научных опытов, подтверждающих эти свойства, была очень высока, поэтому до XX в. эти опытные факты, казавшиеся очевидными, не подвергались сомнению. В начале XX в. появилась теория, разработанная Альбертом Эйнштейном, в которой эти фундаментальные понятия оказались взаимосвязанными. Новая теория оказалась столь необычной, что с ней связывают революцию в естествознании, которая произошла на рубеже XIX-XX вв. Прочитав этот параграф, вы, конечно же, не сможете понять теорию относительности, однако понять, как она изменила взгляды ученых на пространство, время и материю, вполне возможно.

В КАКОЙ СИСТЕМЕ ОТСЧЕТА ИЗМЕРЯТЬ СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН? Зависит ли скорость волны от выбора системы отсчета? Опыт, касающийся различных волн, давал утвердительный ответ. Так, например, скорость звука, равная 330 м/с, относительно неподвижного воздуха изменялась в соответствии с законом сложения скоростей при движении приемника звука относительно воздуха.

В результате развития теории электромагнетизма английским ученым Максвеллом было предсказано существование электромагнитных волн и вычислена скорость их распространения. Эта скорость (около 300 000 км/с) оказалась близка к скорости света, из чего был сделан вывод о том, что свет является электромагнитной волной. До некоторого времени оставался открытым вопрос, относительно чего теория предсказывает данную скорость электромагнитных волн. Дело в том, что все доступные для человека системы отсчета движутся со скоростями, много меньшими скорости света. Поэтому изменение скорости света при переходе из одной системы отсчета в другую ожидалось настолько малым, что экспериментальной точности не хватало для того, чтобы обнаружить это изменение. Даже Земля движется вокруг Солнца со скоростью, равной 1/10 000 от скорости света.

По аналогии со звуком, который распространяется со скоростью 330 м/с относительно воздуха, было сделано предположение о том, что свет распространяется со скоростью 300 000 км/с относительно некоторой субстанции, которую назвали эфиром . Мы и сейчас пользуемся этим словом, когда говорим, например, «в прямом эфире», «в эфире радиостанция...».

Гипотеза эфира, как и любая естественно-научная гипотеза, нуждалась в проверке опытом. При помощи очень сложной установки, основанной на свойствах интерференции света, ученые Майкельсон и Морли пытались обнаружить движение Земли сквозь эфир по изменению скорости света относительно Земли. Однако эксперимент дал ошеломляющий отрицательный результат: несмотря на достаточную точность приборов, движение Земли относительно эфира не было зафиксировано, поскольку скорость света относительно Земли в любое время суток и года оказывалось равной постоянной величине. Этот факт полностью противоречил классическим взглядам на свойства пространства и времени. Именно постоянство скорости света в любой системе отсчета было взято Эйнштейном за основу его теории.

Опыт свидетельствует, что скорость света постоянна во всех системах отсчета, что противоречит классическим представлениям о пространстве и времени.

НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ . В созданной Эйнштейном теории относительности пространство и время оказываются взаимосвязанными. Эта связь проявляется в том, что измерения промежутков времени и расстояний в пространстве оказываются зависящими от того, в какой системе отсчета производят измерения. При переходе из одной системы отсчета в другую временные (время между двумя событиями) и пространственные интервалы изменяются. Причем, если, например, временной интервал между событиями удлиняется, то пространственный - сокращается. Образно говоря, время и пространство могут переходить друг в друга. В связи с этим вводится представление о четырехмерном пространстве-времени .

Удлинение временных интервалов и сокращение расстояний оказываются пропорциональны коэффициенту

где v - скорость системы отсчета, а с - скорость света. В любых доступных человеку системах отсчета этот коэффициент оказывается очень близким к единице. Именно поэтому опыт, накопленный в период развития физики до XX в. (в том числе и ваш опыт), не позволял выявить данные свойства пространства и времени.

Новые представления о пространстве и времени, возникшие в результате создания теории относительности, связывают пространство и время. Следствием такой связи оказывается зависимость расстояний и времени от выбора системы отсчета, в которой производятся измерения,

Естественно, такие необычные свойства пространства и времени требовали опытного подтверждения. В настоящее время существует огромное число опытов по проверке теории относительности и не существует опытов, противоречащих ей.

МАТЕРИЯ ФОРМИРУЕТ ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ . В наше время бурного развития космонавтики вряд ли кто-нибудь не слышал о состоянии невесомости, испытываемом космонавтами, и о перегрузках при старте ракеты. Состояние невесомости эквивалентно отсутствию силы тяжести, как будто бы все тяготеющие массы (Земля, Солнце) находятся очень далеко. Однако космические корабли движутся близко от Земли, и сила тяжести в космическом корабле примерно такая же, как и на поверхности Земли. Перегрузки эквивалентны таким перегрузкам, которые испытывал бы человек, находясь на планете с огромным тяготением, чего в действительности нет.

Проанализировав подобные факты (во времена Эйнштейна космонавтов еще не было), Эйнштейн взял за основу постулат, что никакими опытами, проведенными внутри некоторой системы отсчета, нельзя определить, чем вызвана сила тяжести (отсутствие силы тяжести) - гравитацией или движением системы отсчета с ускорением. Этот постулат был назван принципом эквивалентности и лег в основу так называемой общей теории относительности.

Следствием этой теории являлось утверждение о том, что материальные тела влияют на пространство, в котором они расположены, и на время в области пространства, где они расположены. Пространство искривляется вблизи материальных тел, а время замедляет свой ход. Эти следствия также были проверены опытом.

В частности, искривление пространства обусловливает искривление лучей света, проходящих вблизи тяготеющего тела (рис. 69).

Рис. 69. Искривление луча света вблизи тяготеющего тела

Подобное искривление траектории было обнаружено при астрономических наблюдениях прохождения луча света от звезды вблизи Солнца во время затмения Солнца в 1919 г.

Материя, пространство и время взаимосвязаны. Материальные объекты искривляют пространство, в котором они находятся, и замедляют ход времени вблизи них.

• Противоречит ли теория относительности научным положениям, развитым до появления этой новой теории?
• В чем проявляется взаимосвязь пространства, времени и материи?

Материя - это все, 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.

В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество - основной вид материи, обладающий массой . К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные системы.

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-позитронное 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 естественнонаучного 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. Природа наделила человека удивительным свойством интуитивно определять время с помощью биологических часов, которые отсчитывают циклы, примерно равные 24 ч. Такое восприятие времени осуществляется головным мозгом. Многие крупные достижения в естествознании связаны с разработкой более точных приборов для определения времени. Существующие сегодня эталоны позволяют измерить время с очень высокой точностью - например, относительная погрешность для водородного эталона времени не превышает 5 * 10-15. В последние десятилетия в качестве эталона времени используются атомные часы, в которых источник колебаний не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, обусловленные квантовым переходом электронов между двумя энергетическими уровнями атома. Эти сигналы имеют очень высокую стабильность энергии и частоты колебаний. Сегодня секунда - это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, каждый из которых соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

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.

Пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Завершенная теория пространства - геометрия Евклида -создана более 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории.

Первое, что поражает воображе­ние человека, когда он наблюдает окружающий мир, - это удивительное многообразие предметов, процессов, свойств и отношений.

Уже первые мыслители заметили, что некоторые свойства и состояния вещей во всех превращениях сохраняются. Эту постоянно сохра­няющуюся основу вещей они назвали первоматерией . Это естественное воззрение на происхождение всего много­образия мира из некой первоосновы положило начало научному объяснению многих явлений природы и общества. В дальнейшем представление о материи углуб­ляется и одновременно утрачивает чувственно-конкретные черты.

Материя предстала в новом свете - без цвета, запаха, твердости, без тех свойств, с которыми люди привыкли связывать понятие материального. На основании новых данных науки созда­вались новые концепции.

С точки зрения диалектики, материя есть объективная реальность - причина, основа, содержание и носитель (субстан­ция) все го мно го обра з ия мира . Она проявляется в бесчисленных свойствах. Важнейшие из них - объективность существования, струк ту рность, неуничтожимость, движение, пространство, время, отражение . Это атрибуты материи, т.е. всеобщие ее свойства, без которых невозможно ее бытие.

Материю вообще нельзя видеть, осязать, пробовать на вкус. Материя не есть одна из вещей, существующих наряду с другими, внутри или в основе их. Все существующие конкретные материальные образования и есть материя в различных ее формах, видах, свойствах и отношениях.

Материя имеет сложное строение . Она состоит из элементарных частиц, атомов, молекул, макромолекул, планет, звезд, галактик и т.д. Кроме того, есть разные виды полей - гравитационные, электромагнитные, ядерные. Они связывают частицы материи, по­зволяют им взаимодействовать и тем самым существовать. Все частицы независимо от их природы обладают волновыми свойствами.

Материя имеет разные уровни, каждый из которых характеризуется особой системой закономерностей и своим носителем. Различные структурные образования материи - это разные степени сложности. Каждая форма материи качественно своеобразна. Но поскольку сложные формы материи включают в ка­честве своих элементов низшие, то это нужно учитывать в процессе изучении животных и растений.

Одним из атрибутов материи является ее неуничтожимость. За к о н сохра н е ни я и превращения энерг ии гласи т: к а к ие б ы процесс ы превращения ни проис х од ил и в мире, общее к оличество масс ы и энергии остается неизменн ы м. Ни один элемент материи не уничтожа­ется, не превращается в ничто, а оставляет определенное следствие и не возникает из ничего, а всегда имеет определенную причину. Гибель конкрет­ной вещи означает лишь ее превращение в другую.

Мир находится в постоянном движении . Движение многообразно. Дв и же ни е - это с п особ существова н ия бытия, материи. Б ыт ь - з н ачи т б ы ть в дв и же ни и, изменении. Нет в мире неизменных вещей, свойств и отношений. Движение несотворимо и неуничтожимо, абсолютно, всеобще. Оно проявляется в виде конкретных форм движения. Формы и виды движения многообразны. Они связаны с уровнями структурной организации бытия, материи. Ка ждой форме дв и ­ ж е ни я п р и с ущ определенн ы й нос и тель - с у бс та н ция .

Покой как момент движения всегда имеет только ви­димый и относительный характер.

Все тела различным образом расположены друг относительно друга. Пространство ес т ь форма к оорд ин а ции сосуще­с т вующих об ъ е кт ов, оно характеризует положение объектов друг подле друга (рядом, сбоку, внизу вверху, внутри, сзади, спереди и т.д.). Порядок сосуществования этих объ­ектов и их состояний образует структуру пространства.

Явления характеризуются длительностью существования, по­следовательностью этапов развития. Процессы совершаются либо одновременно, либо один раньше или позже другого; таковы, на­пример, взаимоотношения между днем и ночью, зимой и весной, летом и осенью. Все это означает, что тела существуют и движутся во времени. Время - это форма координа ц ии сменяющих ся о бъектов и их сос т ояний, оно характеризует положение объектов друг после друга. Порядок смены этих объектов и состояний образует структуру времени.

П рос т ранс т во и время - это всеоб щ ие форм ы су щ еств о ­вания материи, бытия. В мире все простирается и длится. Пр остранство и время обла д ают своими особенностями. Пространство трехмерно, разнонаправлено, обратимо. Время однонаправлено, одномерно, необратимо.

Некогда су­ществовало воззрение, согласно которому пространство представляло собой грандиозное вместилище, куда помещена материя, а время мыслилось наподобие потока, все увлекающего за собой и все погло­щающего. Изменение физической картины мира изменило представление о пространстве и времени. Огромный вклад в разработку научных представлений о связи пространства и времени с движущейся материей внес Н.И. Лоба­чевский. Он создал неевклидову геометрию, которая является более общей и включает в себя евклидову геометрию как частный случай, отражающий пространственные отношения, воспринимаемые нами в повседневном опыте. Сумма углов треугольника в геометрии Лобачевского не остается постоянной и равной 180°, а меняется в зависимости от изменения длины его сторон и при этом всегда оказываем меньше 180°. Б. Риман создал еще одну неевклидову геометрию. В ней вообще нет параллельных прямых, а сумма углов треугольника 6oльше 180°. Эти парадоксальные положения очевидны и имеют смысл, если геометрические фигуры нарисовать не на плоскости а, например, на поверхности сферы. У нарисованного на сфере треугольника сумма yглов больше 180°.

Великое научное открытие двадцатого века - теория относительности, созданная А.Эйнштейном. В ней установлена связь пространства и времени с движущейся материей и друг с другом. В мире нет единствен­ного “сейчас”, разделяющего все прошлые события и события будущего. Каждая система имеет свое “сейчас”, свое прошлое и будущее.

Пространство и время обусловлены материей, как форма своим содержанием, и каждый уровень движения материи характеризуется своей пространственно-временной структурой.