Простір і час

Рух

Навколишній світ динамічний, в ньому немає нічого незмінного. Всякий раз у всьому ми помічаємо щось нове — неповторна кожна мить нашого життя, не можна повернутися в минуле і точно так же повторити свій життєвий шлях. Все незворотне. Будь-яка зміна — чи переміщення тіл в просторі, чи зміна внутрішньої структури систем, ріст або розвиток організмів і є рух. Він, як і відображення, — атрибут матерії. Рух абсолютний (лат. absolutus — необмежений, існуючий завжди) і вічний, спокій — відносний.

І в той же час в мінливому світі разом з появою нового повторюється щось старе. У цьому великому круговороті подій небесні світила періодично займають відведені їм на небозводі місця, чергуються пори року, з року в рік весною все живе прокидається від зимівлі, щодня, по відомому розпорядку, сходить і заходить Сонце, на зміну ночі приходить день, на зміну відмерлим деревам зростають молоді, діти замінюють своїх батьків. Але ця постійність відносна, воно є лише частиною або якимсь етапом зміни.

Але що рухає світом? Повинні ж бути причини цих змін. Що примушує Землю обертатися навколо своєї осі, планети — навкруг Сонця, протікати хімічні реакції, рости кристали або організми? — Це енергія (від грець. energeia — дія, діяльність). Джерело її — сама матерія. Вона є властивістю матерії, відображає ступінь дії одних тіл на інші і виявляється в їх здатності здійснювати роботу. Передана тілу енергія, здійснювана над ним робота або прикладена до нього сила визначають такі важливі показники руху як прискорення і швидкість.

Взаємодія і рух обумовлюють мінливість світу, його рухливість і процесуальність (лат. processus — просування).

Всі процеси і події — історичні, геологічні, фізичні, хімічні, біологічні, соціальні — протікають у просторі та часі. Матерія не існує поза простором і поза часом. Простір і час немислимі без матерії, одне не існує без іншого, одне існує в іншому, одне виявляється через інше. Схоже, що стародавні філософи здогадувалися про глибокий взаємозв'язок цих найважливіших понять, які лежать в основі Всесвіту.

Без просторових уявлень неможливі орієнтація, будь-який вид діяльності, розвиток техніки, архітектури, втілення інженерної думки йде через її просторове уявлення — креслення. З поняттям простору пов'язані наші уявлення про протяжність об'єктів. Його ми відчуваємо як безперервну сукупність точок — континуум (лат. continuum — безперервне). Простір тривимірний. Тривимірна система координат і пов'язана з нею система відліку була введена французьким математиком, фізиком і філософом Р. Декартом (1596–1650), якому сучасна наука зобов'язана уявленням про змінну величину і функцію, формулюванням закону збереження кількості руху. Властивості простору на всіх напрямках однакові, він ізотропний. При паралельному перенесенні в просторі замкнутої системи тіл її фізичні властивості і закони руху не залежать від вибору початку координат системи відліку, простір однорідний.

Властивості простору детально вивчає спеціальний розділ математики — геометрія. Понад два тисячоліття в науці неподільно панувала геометрія, побудована на п'яти постулатах Евкліда (Ш ст. до н.е.), найважливіші з яких: сума внутрішніх кутів трикутника дорівнює 180°; через точку, яка лежить поза прямою можна провести тільки одну пряму, паралельну даній. Ці постулати спрацьовують на плоскій поверхні і є настільки очевидними, що великий Кант вважав їх природженими ідеями людської свідомості. Проте в середині XIX століття геніальний російський математик, професор Казанського університету М.І. Лобачевський (1792–1856), якого англійський математик В. Кліффорд назвав «Коперником геометрії», висунув постулат, справедливий для криволінійного простору: через точку, яка лежить поза прямою, можна провести нескінченну безліч паралельних їй прямих. Ґрунтуючись на ньому, він побудував свою геометрію, але це була вже геометрія криволінійних просторів. Практично одночасно з ним німецький математик Б. Ріман (1826–1866) побудував геометрію криволінійних просторів, керуючись іншим постулатом: через точку, яка лежить поза прямою не можна провести жодної прямої, паралельної даній. Ця геометрія найадекватніше описує властивості простору, оскільки всі реальні простори є викривленими полями тяжіння космічних тіл. Геометрія Евкліда всього лише їх окремий випадок.

Простір, заряд і взаємодія — глибоко взаємозв'язані властивості матерії. Цей взаємозв'язок відображається в математичних виразах фундаментальних законів природи - всесвітнього тяжіння, взаємодії електричних зарядів і струмів:

F = (m₁m2)/r², F = (q₁q₂)/r², F = І₁І₂/r²_.

Вся їх відмінність лише в тому, що в одному випадку у формулі стоять маси взаємодіючих тіл, а в другому — електричні заряди або струми.

Математики зуміли довести спеціальну теорему про те, що, якщо фундаментальні взаємодії в просторі описуються законом F ~ 1/rⁿ, то метрика простору — n + 1. Як бачимо, в приведених виразах n = 2, отже, простір тієї частини Всесвіту, в якій ми проживаємо є тривимірним.

Якби метрика простору, в якому ми проживаємо була іншою, то планетам в Сонячній системі, електронам в атомі довелося б рухатися по спіральних траєкторіях, внаслідок чого ці системи швидко втратили б свою стійкість, а, отже, земні форми життя стали б неможливі. Важко сказати, яка метрика простору Мікро- і Мегасвіту. Як сильні, так і слабкі взаємодії змінюються з відстанню по експоненціальному закону, тобто F ~ 1/2,7^х. Яка ж тоді метрика простору в Мікросвіті, якщо сила визначається таким законом?

Сучасній науці важко відповісти на це питання. Їй поки нічого невідомо про реально існуючі в Мегасвіті простори з метриками, відмінними від n = 3, а математики вже давно побудували абстрактні теорії n-вимірних просторів. Але якщо навіть вони і існують, людина навряд чи їх зможе відчувати, адже всі її органи чуття формувалися в тривимірному світі і пристосовані відчувати максимум три виміри.

Сприйняття простору (перцепція) виникає в свідомості людини в результаті спільної роботи зорового аналізатора (око) і головного мозку. Зображення об'єкту, одержане на сітківці ока, підкоряється законам геометричної оптики (лінійна перспектива). Сплощений образ, який виникає на сітківці, коректується в мозку з урахуванням глибини простору, перспективи, бінокулярності зору. У творчості художника це виявляється у вигляді прямої (сходження до горизонту) і зворотної (слабке розходження до горизонту) перспективи.

Те, що характеризує тривалість подій, називають часом. Час не вивчає ніяка спеціальна наука, він всього лише один з об'єктів вивчення фізики. Його неможливо побачити, але ми його відчуваємо по ритмах природи (зміна пір року, дня і ночі), пов'язаних з рухом небесних тіл в просторі, по своїх власних ритмах (ритми в роботі наших органів — серця, мозку, окремої клітини), співзвучних природним. Якщо простір можна оглядати повністю і милуватися ним по частинах, то час ми відчуваємо окремими митями. Якщо в просторі ми можемо переміщатися у різних напрямах, то в часі це зробити неможливо — ми не можемо зробити подорож в майбутнє або минуле і повернутися назад в сучасний момент (якщо тільки не пофантазувати, не звернутися до історичного трактату, кінофільму, літературного твору). Час однорідний, односпрямований і незворотній. Його односпрямованість і незворотність наочно ілюструється ходом культурно-історичного розвитку цивілізації.

Природа часу дотепер залишається нерозкритою. Відомий фізик-теоретик нашого часу Р. Фейнман в одній з своїх робіт відзначив: «Нам, фізикам, щодня доводиться мати справу з часом, але не питайте мене, що таке час. Час — найзагадковіше явище в природі».

Поки що ми мало знаємо про те, як в нашому мозку відбувається усвідомлення часу, чому він іноді летить стрілою, а іноді тягнеться поволі. Ще античні мислителі намагалися пов'язати час і рух (Зенон), час і зміну світу. Геракліт вважав, що час змінюється по прямій. Аристотель, спостерігаючи періодичність процесів природи, вважав, що час тече по колу. Архімед в своїх «Трактатах про спіраль» висловлював припущення, що час змінюється по спіралі. Але і сучасна наука дотепер не може дати однозначної відповіді на це питання.

На твердженнях стародавніх філософів і їх спостереженнях за рухом небесних тіл і зміною пір року ґрунтуються годинники і календарі, що відлічують секунди, години, століття і тисячоліття. Поняття часу широко використовується в багатьох мовах світу як граматична категорія, що відображає минуле, сьогодення і майбутнє.

До фундаментальних властивостей матеріального світу належить його структурність (лат. structura — будова, розташування, порядок) і системність (грець. systema — ціле, складене з частин, з'єднання). Структурність світу виявляється в існуванні нескінченної безлічі ієрархічних взаємозв'язаних систем, починаючи від елементарних частинок і закінчуючи Всесвітом.

Історія природознавства - це історія дослідження фундаментальних властивостей матерії на різних рівнях її організації. В процесі свого розвитку наука будує і обґрунтовує системи знань про будову матерії, простір і час. Кардинальна зміна поглядів на ці властивості лежить в основі всіх відомих наукових революцій.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Взаємодія	\|	Фундаментальні принципи природознавства

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.02 сек.