Концепції простору і часу

В обґрунтуванні класичної механіки велику роль грали введений-ні І. Ньютоном поняття абсолютного простору і абсолютного часу. Ці поняття лежать в основі субстанциальной кон-цепції простору і часу, відповідно до якої матерія, абсолютний простір і абсолютний час - три незалежні одна від одної субстанції, почала світу.

Абсолютна простір - це чисте і нерухоме вмістили-ще тел; абсолютний час - чиста тривалість, абсолютна одно-мірність подій. Ньютон вважав, що цілком можливо припустити існування світу, в якому є тільки одне абсолютне про-странство і немає ні матерії, ні абсолютного часу; або ж суще-ствование світу, в якому є простір і час, але немає мате-рії; або ж існування світу, в якому є тільки час, але немає ні простору, ні матерії. На думку Ньютона, абсолютний простір і абсолютний час - це реальні фізичні харак-теристики світу, але вони не дані безпосередньо органам почуттів, і їх властивості можуть бути осягнути лише в абстракції; можливо, тільки в майбутньому фізика зуміє знайти реальні системи, відпо-ють абсолютного простору і абсолютного часу. У своїй же повсякденної реальності людина має справу з относитель-ними рухами, пов'язуючи системи відліку з тими чи іншими конкретними тілами, тобто має справу з відносним достатньо міс-вом і відносним часом.

Фізики довгий час повністю дотримувалися субстанціаль-ної концепції Ньютона, повторювали його визначення понять абсо-лютного простору і часу. Тільки деякі філософи критикували поняття абсолютного простору і абсолютного време-ні. Так, Г.В. Лейбніц, «вічний опонент» Ньютона, виступив з кри-тикой субстанциальной концепції і відстоював принципи реляційної теорії простору і часу. вважаючи «простір. так само як і час, чимось чисто відносним: простір - поряд-ком существований. а час - порядком послідовностей. Бо про-странство. позначає порядок одночасних речей, оскільки вони існують спільно, не торкаючись їх специфічного способу буття »*. Однак в XVIII в. критика субстанциальной концепції Нью-тону і філософська розробка реляційної теорії простору і часу не зробили істотного впливу на фізику. Естест-воіспитателі продовжували користуватися уявленнями Ньютона про абсолютний простір і час, розрізняючи між собою лише визнанням або невизнанням наявності порожнього простору.

Проблема простору - особлива проблема, яка об'єднує фізкабінет-ку і геометрію. Довгий час мовчазно передбачалося, що свій-ства фізичного простору є властивостями евклідового простору. Для багатьох це була само собою зрозуміла исти-на. «Здоровий глузд» був філософськи втілений І. Кантом в його поглядах на простір і час як незмінні апріорні «форми чуттєвого споглядання». З цього погляду слід було, що ті уявлення про простір і час, які виражені в геометрії Евкліда і механіки Ньютона, взагалі є единст-венно можливими.

Вперше по-новому питання про властивості простору був постав-льон в зв'язку з відкриттям неевклідової геометрії. Безуспішність спроб ряду вчених багатьох поколінь довести п'ятий постулат Евкліда привела до думки про його недовідності, а разом з тим і про можливість побудови геометрії, заснованої на інших постула-тах. Одним з перших прийшов до цієї думки К.Ф. Гаусс, який ще на початку XIX ст. почав міркувати над питанням про можливість створення іншої, неевклідової, геометрії. Гаусс висловив думку, що уявлення про властивості простору є апріорними, а мають дослідне походження. Однак він не побажав втягуватися в гостру дискусію і приховував від сучасників свої ідеї про можли-ності неевклідових геометрій.

Крім того, Ріман висловив нове розуміння нескінченності простору. На його думку, простір потрібно визнати неогр-ніченний; однак якщо воно може мати позитивну постійного-ву кривизну, то воно вже не нескінченно, подібно до того як поверх-ність сфери хоча і не обмежена, але тим не менш її розміри не є нескінченними. Так зароджувалося уявлення про разграні-ченіі нескінченності і безмежності простору (і часу).

Ідеї ​​неевклідових геометрій спочатку мали дуже мало прихильників, так як суперечили «здоровому глузду» і встоявши-шимся протягом багатьох століть поглядам. Перелом настав лише в другій половині XIX ст. Остаточні сумніви в логічної правильності неевклідової геометрії Лобачевського були развея-ни в роботах італійського математика Е. Бельтрамі, який, раз-розвиваючи ідеї К. Гаусса в області диференціальної геометрії для вирішення завдань картографії, показав, що на поверхнях постійного-ної негативної кривизни (псевдосфери ) здійснюється імен-но неевклидова геометрія. Інтерес до робіт Лобачевського і Риму-на знову ожив і викликав численні дослідження в області неевклідових геометрій і підстав геометрії. Тут слід упо-мянуть «Ерлангенського програму Ф. Клейна» (1872), яка аж до теперішнього часу є керівною не тільки для побудувати-ення нових систем геометрії, але і для теоретичної фізики. За Ф. Клейн, для побудови геометрії необхідно задати: деяке різноманіття елементів; групу перетворень, що дає можливість відображати елементи заданого різноманіття один на одного. А геометрія повинна вивчати ті відносини елементів, які інва-ріантни при всіх перетвореннях даної групи. З цих позицій геометричні теорії можуть бути типологізувати наступним чином: геометрія Евкліда, що вивчає інваріанти переміщень; афінна геометрія; проективна геометрія (геометрія Лобачов-ського трактується як частина проектної геометрії); конформная геометрія; топологія (геометрія груп безперервних Перетворюва-ний, тобто таких, при яких зберігається нескінченна близькість точок), що грає велику роль в сучасній космології, кванто-вої теорії гравітації і ін.

Розвиток теорії неевклідових просторів призвело в свою оче-гу до задачі побудови механіки в таких просторах: чи не проти-воречат чи неевклидова геометрії принципам механіки? Якщо механіку неможливо побудувати в неевклідовий просторі, то зна-чит реальне неевклидова простір неможливо. Однак дослі-нання показали, що механіка може бути побудована в неевклідовий просторі.

І тим не менше поява неевклідових геометрій, а потім "не-евклідової механіки» на перших порах не вплинула на фізкабінет-ку. У класичній фізиці простір залишалося евклідовим, і більшість фізиків не бачили ніякої необхідності розглядає-вати фізичні явища в неевклідовий просторі.