Физическая картина мира

      Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов — центров гравитации. Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения.

      В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона "Математические начала натуральной  философии". Этот труд более чем  на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение  понятий пространства, времени, места  и движения.[2]

      Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как "вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения". Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:

      - Абсолютное, истинное, математическое  время само по себе и по  своей сущности, без всякого отношения  к чему-либо внешнему, протекает  равномерно и иначе называется длительностью.

      - Относительное, кажущееся, или  обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами,  внешняя мера продолжительности,  употребляемая в обыденной жизни  вместо истинного математического  времени, как-то: час, день, месяц, год.

      - Абсолютное пространство по своей  сущности, безотносительно к чему  бы то ни было внешнему, остается  всегда одинаковым и неподвижным.   Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном пространстве и времени играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия 
"пространства" и "времени" ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства.

      Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную реакцию со стороны его современников — естествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г.В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.

      Указывая  на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц  пишет: "Считаю пространство так  же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком сосуществовании, а время — порядком последовательностей".

      Предвосхищая  положения теории относительности  Эйнштейна о неразрывной связи  пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться  в "отвлечении" от самих вещей. "Мгновения в отрыве от вещей  ничто, — писал он, — и они  имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей".

      Однако  данные представления Лейбница не оказали  заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция  пространства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой  принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном.

      Успехи  ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX в.

Основные  положения этой картины мира, связанные  с пространством и временем, заключаются в следующем:

      - Пространство считалось бесконечным,  плоским, "прямолинейным", евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве "вместилища" материальных тел, как независимая от них инерциальная система. 
 - Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной "единообразно и синхронно" и выступает как независимых материальных объектов процесс длительности, Фактически классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени "показывать последовательность события”. Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.

      - Абсолютное время и пространство  служили основой для преобразований Галилея-Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

      - Принятие абсолютного времени  и постулирование абсолютной  и универсальной одновременности  во всей Вселенной явилось  основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с 6есконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного пространства, существующего независимо от времени.

      До XIX в. физика была в основном физикой  вещества, т. е. она рассматривала  поведение материальных объектов с  конечным числом степеней свободы и  обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило  ряд существенных отличий их свойств  по сравнению с механическими  свойствами тел.

      Если  в механике Ньютона силы зависят  от расстояний между телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной  в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж. К. 
Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал Эйнштейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что "недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы". Из теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля.

      Итак, в физике XIX в. появляется новое понятие — "поля", что, по словам Эйнштейна, явилось "самым важным достижением со времени Ньютона". Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.

      Специального  объяснения в рамках существовавшей в конце XIX в. физической картины  мира требовал и отрицательный результат  по обнаружению мирового эфира, полученный американским физиком А. Майкельсоном. Его опыт доказал независимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению. Некоторые физики пытались истолковать их как указывающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлении движения под действием возникающих при этом электромагнитных сил.

      Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел математические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков  времени между событиями, происходящими  на них, в зависимости от скорости движения.

Как показал  позднее Эйнштейн, в преобразованиях  Лоренца отражаются не реальные изменения  размеров тел при движении (что  можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

      Таким образом, относительными оказывались  и "длина", и "промежуток времени" между событиями, и даже "одновременность" событий. Иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время.[4]

4 Теория относительности. 

      Создание  теории относительности в XX в. оказало огромное влияние на всю картину мира. В 1905 году молодой и никому не известный физик – теоретик Альберт Эйнштейн опубликовал в специальном журнале статью « К электродинамике движущихся тел». В этой статье была изложена частная теория относительности. По существу это было новое представление о пространстве и времени, и соответственно ему была разрботана новая механика. Старая классическая физика вполне соответствовала практике, имевшей дело с макротелами, движущимися с не очень то большими скоростями. И только исследования электромагнитных волн, полей и связанных с ними других видов материи заставили по новому взглянуть на законы классической механики.

  Опыты Майкельсона и теоретические работы Лоренца послужили базой для нового видения мира физических явлений. Это касается в первую очередь пространства и времени, фундаментальных понятий, определяющих построение всей картины мира. Эйнштейн показал, что введенные Ньютоном абстракции абсолютного пространства и абсолютного времени должны быть оставлены и заменены другими. Прежде всего отметим, что характеристики пространства и времени будут по разному выступать в системах неподвижных и движущихся относительно друг друга.

      Немецкий  математик Г. Минковский, анализируя теорию относительности, пришел к выводу, что следует вообще отказаться от представления о пространстве и времени как отдельно друг от друга существовавших характеристиках мира. На самом деле, утверждал Минковский, есть единая форма существования материальных объектов, внутри которой пространство и время не могут быть выделены, обособлены. Поэтому нужно понятие, которое выражает это единство. Но когда дело дошло до того чтобы обозначить это понятие словом, то нового слова не нашлось, и тогда из старых слов образовали новое: «пространство- время».

      Реальные  физические процессы происходят в едином пространстве-времени. А само оно, это  пространство-время, выступает как  единое четырехмерное многообразие; три координаты, характеризующие  пространство, и одна координата, характеризующая  время, не могут быть отделены друг от друга. А в целом свойства пространства и времени определяются совокупными  воздействиями одних событий  на другие. Анализ теории относительности  потребовал уточнения одного из важнейших  философских и физических принципов  – принципа причинности.

      К тому же теория относительности встретилась  с существенными трудностями  при рассмотрении явления тяготения. Это явление не поддавалось объяснению. Потребовалась большая работа, чтобы  преодолеть теоретические трудности. К 1916 г А.Эйнштейн разработал «Общую теорию относительности». Эта теория предусматривает более сложную структуру пространства – времени, которая оказывается зависимой от распределения и движения материальных масс. Общая теория относительности стала той основой, на которой в дальнейшем стали строить модели нашей Вселенной.[5] 

5 Полевые представления. 

      В механической картине отсутствует  материальный агент, передающий взаимодействия между телами. Между тем он существует в природе: это гравитационное и  электромагнитное поле, передающее действие одного тела на другое со скоростью света. Окончательно понятие поля как самостоятельного материального объекта — вида материи, существующего наряду с веществом, утвердилось после создания специальной теории относительности.

      В случае электромагнитного взаимодействия передатчиком взаимодействия служит электромагнитное поле. Оно дополняет механическую картину: на тело действует сила не непосредственно со стороны другого тела, а со стороны поля, созданного заряженным телом и непрерывно заполняющим пространство. Электромагнитное поле изучается электродинамикой; с помощью ее законов по расположению и движению электрических зарядов можно рассчитать напряженность поля в каждой точке пространства. Важно, что поле может «отрываться» от зарядов и существовать в свободном состоянии в виде электромагнитных волн. При изучении строения материи на микроуровне оказывается, что поле, как и вещество, состоит из элементарных частиц — фотонов.