Абсолютний простір і абсолютний час в ньютонівської фізики

Зародження сучасної науки сягає своїм корінням сивої стародавнього світу. Наука, як звід фундаментальних законів, вперше з'явилася, ймовірно, в стародавній Греції. Слово "Фізика" зобов'язане своїм походженням Арістотелем - першому фізику, давньогрецького філософа, який залишив нам свої твори, присвячені живій і неживій природі (правда, в до нас його твір дійшло під назвою "Метафізика", ніж ми зобов'язані одному з його послідовників який " злегка "відретушувати текст вчителя). У книзі під назвою "Метафізика" Аристотель, зокрема, стосується поняття простору, часу і руху. Під час обговорення питань заходи Аристотель в якості запобіжного руху бере рух неба - єдиного, безперервного, одноманітного і вічного. Хоча поняття простору, часу і руху в сучасному розумінні цього слова у Арістотеля не було, проте поняття орієнтування на місцевості і в часі древнім було не так вже й чуже. Скажімо період місячного місяця і сонячного року в днях вавилонські жерці знали з точністю до п'ятого знака після коми. Цього вимагали складні релігійні церемонії, служителями яких були жерці.

Нова фізика почалася з Декарта, який ввів поняття системи координат, Галілея, який відкрив закони прямолінійного і рівномірного руху, і, звичайно, И.Ньютона, який створив сучасну ньютонову механіку. Ньютон відкрив закони динаміки, тобто знайшов і сформулював правила, за якими знаючи становище і швидкість тіла в один з моментів часу і знаючи суму сил діючих на тіло можна знайти положення тіла і швидкість його руху в будь-який послідуючим момент часу. Створений ним підхід до вирішення фізичних проблем послужив основою всіх теоретичних досліджень у фізиці попередніх трьох століть. Один успіх за іншим на шляху пізнання природи дозволив Лапласа гордо заявити "дайте мені початкові умови (і в формулюванні класичної теоретичної механіки) для всіх частинок і я передбачу майбутнє світу". Тільки в нашому столітті, після відкриття квантової механіки, відкриття ймовірнісної картини світу стало зрозуміло, що в природі принципово присутній елемент непередбачуваності.

Поняття простору - часу в ньютонівської фізики тісно пов'язано з чуттєвим сприйняттям і того і іншого. У ньютонівської фізики інтерпретація просторових координат деякого тіла передбачала наявність жорсткого тіла відліку, яке зазвичай і задає систему відліку. Основною властивістю цього тіла було те, що воно не відчуває ніяких змін. Крім цього тіла, необхідно було також думати, що вона перебуває в стані певного руху, тобто задає інерційну систему відліку. Для визначення часу між двома подіями необхідно мати детермінований періодично повторюваний процес (який в побуті називають годинами). Годинники прикріплені до вибраного тілу відліку задають локальне час щодо цієї системи відліку.

Наявність декількох тіл необхідно для формування відчуття простору. Якщо вони не знаходяться в контакті, то їх можна звести один з одним, що є основою нашого поняття про простір. В геометрії Евкліда простір грало якісну роль, тому що хоча становище точки (абстрактного поняття тіла) вважалося заданим воно не описувалося числом. Декарт ввів поняття відстані між точками, що обчислюється в тривимірній системі координат. Якщо одна точка має координати, а друга координати,,, то відстань між ними знаходиться по теоремі Піфагора узагальненої на тривимірний простір:

При цьому вважається, що крапки не рухаються відносно один одного або, що їх координати беруться в один і той же момент часу.

Звернемо увагу, що поняття координат деякого тіла формулюється щодо обраної системи координат і, отже, тіла відліку, що задає цю систему координат, тоді як відстань між точками не залежить від вибору цієї системи. Вивчати рух пробних тіл можна лише у вибраній системі координат, тобто щодо тел задають систему відліку. Але щодо довільної системи відліку навіть простий рух може мати складний вид. Наприклад, на що обертається каруселі рух котиться кульки буде відрізнятися від руху того ж кульки на покоющейся каруселі. У теоретичній механіці це властивість формулюється як відсутність однорідності і изотропии простору в даній системі відліку. Природно, що виникає потреба вибрати таку систему відліку в якій рівняння механіки і рішення цих рівнянь матимуть найпростіший вид. Виявляється, що в ньютоновой механіці завжди можна знайти таку систему відліку в якій простір є однорідним і ізотропним, а час - однорідним. Це інерціальна система відліку.

Більш того, існує нескінченно багато інерційних систем відліку. Вони відрізняються один від одного тим, що можуть рухатися відносно один одного з постійною швидкістю. У всіх таких системах простір буде однорідний і изотропно, а час - однорідним. Закони механіки в таких системах відліку будуть однакові - так було сформульовано принцип відносності Галілея, який є одним з основних принципів механіки.

Зауважимо відразу, що цей принцип виділяє в якості виняткових будь - яку інерційну систему відліку і системи рівномірно рухаються щодо обраної системи відліку. Перетворення координат від однієї системи до іншої проводиться перетворенням Галілея, причому вважається, що темп зміни часу в обох системах координат однаковий.

Основний постулат ньютоновой механіки полягає в тому, що можливо визначення єдиного часу для всього простору, а значить і визначення відстаней і руху тіл відносно системи координат. А. Ейнштейн у статті "Механіка Ньютона і її вплив на формування теоретичної фізики" писав: "Основні принципи Ньютона були з логічної точки зору настільки задовільними, що імпульс до їх оновленню міг виникнути тільки під впливом досвіду." і ще. "Хоча всюди помітне прагнення Ньютона представити свою систему як необхідно випливає з досвіду і вводити якнайменше понять, не пов'язаних безпосередньо з досвідом, він тим не менше вводить поняття абсолютного простору і абсолютного часу". "Саме в цьому пункті Ньютон особливо послідовний.". "Ньютон розумів, що його закони можуть мати сенс тільки якщо простір має фізичною реальністю в тій же мірі, як матеріальні точки і відстані між ними."

Після створення Максвеллом теорії електромагнетизму, після того, як виникла нова фізична концепція поля, в якому взаємодія передається з кінцевою швидкістю (швидкістю світла) виникли спонукальні причини диктуються досвідом для зміни основних поглядів на простір і час.