Какие свойства пространства есть
У этого термина существуют и другие значения, см. Пространство.
Пространство (обычное пространство или физическое пространство[1]) — трёхмерное пространство нашего повседневного мира и/или прямое развитие этого понятия в физике (развитие, возможно, иногда достаточно изощрённое, но прямое, так что можно сказать: наше обычное пространство на самом деле таково).
Это пространство, в котором определяется положение физических тел, в котором происходит механическое движение, геометрическое перемещение различных физических тел и объектов.
Различные абстрактные пространства в том смысле, как они понимаются в математике, не имеющие к обычному («физическому») пространству никакого отношения, кроме отношения более или менее далёкой формальной аналогии (иногда, в отдельных простых случаях, правда, просматривается и генетическая связь, например для пространства скоростей[источник не указан 74 дня], импульсного пространства[источник не указан 74 дня]). Обычно это те или иные абстрактные векторные или линейные пространства, впрочем, часто снабженные разнообразными дополнительными математическими структурами.
В физике же термин пространство применяется в этом смысле, как правило, обязательно с уточняющим определением или дополнением (пространство скоростей[неизвестный термин], цветовое пространство, пространство состояний, гильбертово пространство, пространство спиноров), или, в крайнем случае, в виде неразрывного словосочетания абстрактное пространство. Такие пространства используются однако для постановки и решения вполне «земных» задач в обыкновенном трёхмерном пространстве.
Разновидности[править | править код]
Рассматриваются в физике и ряд пространств, которые занимают как бы промежуточное положение в этой простой классификации, то есть такие, которые в частном случае могут совпадать с обычным физическим пространством, но в общем случае — отличаться от него (как, например, конфигурационное пространство) или содержать обычное пространство в качестве подпространства (как фазовое пространство, пространство-время или пространство Калуцы).
В теории относительности в её стандартной интерпретации пространство[2] оказывается одним из проявлений единого пространства-времени, и выбор координат в пространстве-времени, в том числе и разделение их на пространственные и временную, зависит от выбора конкретной системы отсчёта[3]. В общей теории относительности (и большинстве других метрических теорий гравитации) в качестве пространства-времени рассматривается псевдориманово многообразие (или, для альтернативных теорий, даже что-то более общее) — более сложный объект, чем плоское пространство, которое может играть роль физического пространства в большинстве других физических теорий (впрочем, практически у всех общепринятых современных теорий есть или подразумевается форма, обобщающая их на случай псевдориманова пространства-времени общей теории относительности, являющейся непременным элементом современной стандартной фундаментальной картины).
В большинстве разделов физики сами свойства физического пространства (размерность, неограниченность и т. п.) никак не зависят от присутствия или отсутствия материальных тел. В общей теории относительности оказывается, что материальные тела модифицируют свойства пространства, а точнее, пространства-времени, «искривляют» пространство-время.
Одним из постулатов любой физической теории (Ньютона, ОТО и т. д.) является постулат о реальности того или иного математического пространства (например, Евклидова у Ньютона).
Конечно же, различные абстрактные пространства (в чисто математическом понимании термина пространство) рассматриваются не только в фундаментальной физике, но и в разных феноменологических физических теориях, относящихся к разным областям, а также на стыке наук (где разнообразие способов применения этих пространств достаточно велико). Иногда случается, что название математического пространства, используемого в прикладных науках, берут в фундаментальной физике для обозначения некоего абстрактного пространства фундаментальной теории, которое оказывается похоже на него некоторыми формальными свойствами, что дает термину и понятию больше живости и (абстрактной) наглядности, приближает хоть как-то немного к повседневному опыту, «популяризирует» его. Так было, например, сделано в отношении упомянутому выше внутреннего пространства заряда сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике, которое назвали цветовым пространством потому, что оно чем-то напоминает цветовое пространство в теории зрения и полиграфии.
См. также[править | править код]
- Размерность пространства
- Однородность пространства
- Изотропность пространства
- Пространство-время
- Философия пространства и времени
Примечания[править | править код]
- ↑ Физическое пространство — это уточняющий термин, используемый для разграничения этого понятия как от более абстрактного (обозначаемого в этой оппозиции как абстрактное пространство), так и для различения реального пространства от слишком упрощенных его математических моделей.
- ↑ Тут имеется в виду трёхмерное «обычное пространство», то есть пространство в понимании (1), как описано в начале статьи. В традиционных рамках теории относительности стандартным является именно такое употребление термина (а для четырёхмерного пространства Минковского или четырёхмерного псевдориманова многообразия общей теории относительности используется соответственно термин пространство-время). Однако в более новых работах, особенно если это не может вызвать путаницы, термин пространство употребляют и в отношении пространства-времени в целом. Например, если говорят о пространстве размерности 3+1, имеется в виду именно пространство-время (а представление размерности в виде суммы обозначает сигнатуру метрики, как раз и определяющую количество пространственных и временных координат этого пространства; во многих теориях количество пространственных координат отличается от трёх; существуют и теории с несколькими временными координатами, но последние очень редки). Аналогично говорят «пространство Минковского», «пространство Шварцшильда», «пространство Керра» и т. д.
- ↑ Возможность выбора разных систем пространственно-временных координат и перехода от одной такой системы координат к другой, аналогичен возможности выбора разных (с разным направлением осей) систем декартовых координат в обычном трёхмерном пространстве, причём от одной такой системы координат можно перейти к другой поворотом осей и соответствующим преобразованием самих координат — чисел, характеризующих положение точки в пространстве относительно данных конкретных декартовых осей. Однако следует заметить, что преобразования Лоренца, служащие аналогом поворотов для пространства-времени, не допускают непрерывного поворота оси времени до произвольного направления, например, ось времени нельзя повернуть до противоположного направления и даже до перпендикулярного (последнему соответствовало бы движение системы отсчета со скоростью света).
Литература[править | править код]
- Ахундов М. Д. Концепция пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы. М., «Мысль», 1982. — 222 стр.
- Потёмкин В. К., Симанов А. Л. Пространство в структуре мира. Новосибирск, «Наука», 1990. — 176 с.
- Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. — М.: Мир, 1977. — Т. 1—3.
В настоящее время исследователи категории пространства рассматривают различные его свойства, условно разделяя их на основные и специфические. Основные пространственные характеристики обнаруживаются на всех уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами, специфические — проявляются только на определенных уровнях и свойственны лишь некоторым классам материальных систем.
Р. А. Аронов к основным свойствам пространства причисляет метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства[1]. Кратко представим топологические свойства пространства (трехмерность, непрерывность, протяженность, структурированность, бесконечность, единство со временем и движением), поскольку они относятся к когнитивным признакам изучаемой категории.
Трехмерность связывает пространство и тело, поскольку соответствует трем основным координатам тела. Три измерения — это тот необходимый и достаточный минимум для осуществления всех возможных взаимодействий материальных объектов, в которых проявляется бесконечность и неисчерпаемость пространства.
Непрерывность проявляется в способе перемещения тел и распространении физических действий через различные поля и означает отсутствие в пространстве каких-либо «разрывов». Вместе с тем «пространству свойственна относительная прерывность, проявляющаяся в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы, в существовании многообразных структурных уровней материи с различными пространственными отношениями»[2].
Протяженность связана со структурностью материальных объектов и вызвана их взаимодействием: один объект существует рядом с другим. Поскольку протяженность определяет ту долю пространства, которую занимает объект, непротяженные объекты не могут иметь структуру, внутренние связи и возможности изменяться.
Структурированность пространства предполагает координацию различных пространственных предметов и форм посредством таких топологических понятий, как «окружение», «соседство», «разграничение» и «последовательность».
Бесконечно пространство с точки зрения науки, но поскольку человек не может воспринимать и мысленно представлять себе бесконечную, ничем не ограниченную величину, бытовое его осознание требует некоторых пределов. Поэтому человеком создаются необходимые психологические опоры, границы, позволяющие ему очерчивать, отделять и замыкать пространство вокруг себя.
К специфическим свойствам пространства М. П. Титова относит следующие: «Конкретные пространственные формы и размеры
тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, на-личие у тел внутренней симметрии или асимметрии (молекула живого вещества обладает свойством пространственной асимметрии, которое характерно живому веществу), изотропность (равноправие всех направлений) и неоднородность (неравноправие всех точек, наличие выделенных точек) пространства»[3]. Кроме того, пространство обладает свойствами объективности, поскольку его существование не зависит от сознания и всеобщности, так как формы пространства присущи любым воплощениям материи на всех уровнях ее существования.
В современной науке в связи с все большим разграничением видов деятельности возникает тенденция к дифференциации пространства: «Разные виды деятельности человека формируют свои пространства, а сама человеческая деятельность формирует жизненное пространство как основу человеческого существования»[4]. Человек становится объектом и субъектом различных пространств, в том числе и культурного.
Пространство, объем, границы, размеры, форма, материя, движение, гуманизм, трехмерность, протяженность, структурированность, бесконечность.
- 1. Охарактеризуйте античные представления о пространстве и их выражение в архитектурных формах.
- 2. Каковы средневековые представления о пространстве?
- 3. Какие изменения в представлениях о пространстве произошли в эпоху Возрождения?
- 4. С чем связан процесс новой интерпретации пространства в Новое время и каково его влияние на архитектуру?
- 5. Охарактеризуйте представления о пространстве в немецкой классической философии.
- 6. С чем связано возникновение неклассического понимания пространства?
- 7. Назовите основные свойства пространства.
Специфика дизайна как компонента культурного пространства
До настоящего времени нет единой модели пространства и времени, применимой во всех областях естествознания. На каждом структурном уровне материи выявляются особенности пространственно-временных характеристик объектов. Поскольку пространство и время неотделимы от различных видов материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия.
При характеристике пространства и времени выделяют их общие свойства как формы бытия материальных объектов.
К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:
· объективность и независимость от сознания человека;
· неразрывная связь друг с другом и с движением материи;
· зависимость от структурных отношений и процессов развития в материальных системах;
Наряду с едиными характеристиками, которые в равной степени присущи как пространству, так и времени, им свойственны некоторые особенности, характеризующие их как различные, хотя и тесно связанные между собой, атрибуты материи.
Свойства пространства.
Сущностным свойством пространства является протяженность, понимаемая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.). Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы;
Трёхмерность пространства выражается в том, что для однозначного определения места точки в пространстве в фиксированный момент времени, необходимо и достаточно указать три ее координаты. В наиболее привычной прямоугольной декартовой системе координат это x,y,z — длина, ширина и высота; в сферической системе координат требуется указать радиус-вектор г и углы а и б; в цилиндрической системе — высоту h, радиус-вектор г и угол а.
Трёхмерность пространства является фундаментальным свойством Вселенной. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются именно в пространстве трех измерений. В одномерном (линия) или двухмерном (плоскость) пространстве не могут происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов. В настоящее время не известно каких-либо форм движения и взаимодействия, которые требовали бы четырех- или пятимерного пространства, и возможность таких процессов не вытекает ни из каких установленных законов природы.
Однородность пространства выражается в том, что не существует выделенных в каком-либо отношении точек пространства. Все точки в пространстве равноправны, поэтому не существует преимущественной точки отсчёта, любую можно принять в качестве начальной.
Изотропность пространства означает, что все направления в пространстве равнозначны. Пространство называется изотропным, если поворот системы отсчета на произвольный угол не приведет к изменению результатов измерений. Физические явления в системе не должны изменяться при ее повороте в пространстве.
Обратимость пространства проявляется в том, что в каждую точку пространства можно снова и снова возвращаться.
Свойства времени.
Сущностным свойством времени является его длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие состояния. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, т.е. существуют конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход
Время одномерно: для определения времени достаточно задать одну координату. Если бы время имело не одно, а два, три измерения и больше, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с нашим миром другие миры-двойники, в которых те же события разворачиваются в той же последовательности. Но для таких предположений нет оснований.
Однородность времени означает, что любые явления, которые происходят в одних и тех же условиях, но в разные периоды времени, протекают одинаково.
Анизотропность и необратимость времени.
В отличие от пространства для времени характерна анизотропность – наличие только одного выделенного направления или так называемой «стрелы времени»: все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему.
Необратимость – свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему, невозможность вернуться в прошлое.
В природе мы постоянно сталкиваемся с необратимыми процессами.
Необратимость эволюции называется в биологии законом Л. Долло по имени бельгийского палеонтолога, сформулировавшего его: организмы, возвращаясь в процессе эволюции в среду обитания далеких предков, не могут стать абсолютно похожими на них.
Излучение энергии Солнцем и звездами являются однонаправленными процессами.
Распады неустойчивых частиц демонстрируют необратимость изменений в микромире.
Какие причины лежат в основе анизотропности и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире.
В современном естествознании существует несколько научных подходов к объяснению этого свойства времени. Выделим некоторые из них.
Направление времени задается вторым началом термодинамики, согласно которому энтропия, то есть мера беспорядка в системе, в замкнутой системе всегда возрастает.
Необратимость времени связана с процессами эволюции Вселенной, начиная с момента её возникновения, что подтверждается фактом её расширения.
Необратимость времени есть следствие принципа причинности, так как причина должна предшествовать следствию.
Общие свойства пространства и времени проявляются на всех структурных уровнях организации материи. У некоторых классов материальных объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени.
Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии пространства и времени. Ещё в 1918 Э. Нётер (1882 —1935) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени — закон сохранения энергии, изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Таким образом, пространство и время взаимосвязаны с важнейшими законами сохранения.
По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются естественнонаучные представления о пространстве и времени. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей пространства и времени можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.
Вопросы для самоконтроля.
1. Какие концепции пространства и времени были разработаны в физике?
2. В чём суть субстанциальной концепции пространства и времени?
3. Как понимаются пространство и время в реляционной концепции?
4. Как понимается время в причинной концепции?
5. Что понималось под абсолютным пространством и абсолютным временем в механике Ньютона? Каковы причины их введения?
6. Как представлялись основные свойства пространства и времени в классической физике?
7. Какие противоречия в классической науке потребовали пересмотра понятий пространства и времени?
8. Как был осмыслен отрицательный результат опыта Майкельсона?
9. Какие постулаты лежат в основе СТО?
10. Какие новые представления на пространство и время вводятся в СТО?
11. В чём заключается связь метрики пространства и времени с гравитацией в ОТО?
12. Каковы основные выводы ОТО?
13. Какие постулаты лежат в основе причинной механики Козырева?
14. Какие физические свойства времени выделяются в причинной механике?
15. Каковы основные положения концепции биологического пространства-времени Вернадского?
16. Что представляет собой хронобиология и какие свойства времени выделяют в ней?
17. Каковы всеобщие свойства пространства и времени как форм бытия материальных объектов?
18. Выделите и сопоставьте общие свойства пространства и времени.
Литература.
Аксенов Г.П. В.И.Вернадский о природе времени и пространства. – М.: Либроком, 2012.
Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюции, перспективы. — М.: Наука, 1982.
Ацюковский В.А. Критический анализ основ теории относительности . — М.: Научный мир, 2012
Баженов Л.Б. Проблемы пространства-времени // История и философия науки. Под ред. В.В.Миронова. – М.: Гардарики, 2006.
Борн М. Эйнштейновская теория относительности. — М.: Мир, 1972.
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. — Москва: Наука, 1988.
Вернадский, В.И. Размышления натуралиста. В 2-х т. Пространство и время в неживой и живой природе. – М.: Наука, 1975. Т.1.
Казарян В.П. Понятие времени в структуре научного знания. — М.: Изд-во МГУ,1980.
Козырев Н. А. Избранные труды. — Ленинград: Изд-во Ленинград. ун-та, 1991.
Молчанов Ю.Б. Проблема времени в современной науке. — М.: Наука, 1990.
Тяпкин А.А. «Об истории возникновения теории относительности». — Дубна: ОИЯИ, 2004.
Хокинг С. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. СПб.: Амфора, 2001.
Уитроу Дж. Eстественная философия времени – М.: УРСС, 2003.
[1] См.: Физическая энциклопедия в 5-ти томах под ред. академика А.М.Прохорова. – М.: Советская энциклопедия. Т. 4.
[2] Ньютон И. Математические начала натуральной философии. // В кн.: Собрание трудов академика А. Н. Крылова. — М.- Л., Из-во АН СССР, 1936. С.30.
[3] Крылов А.Н. Указ. Соч. С.30.
[4] См.: Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Современные теории. 1900-1926 гг. – М.: Изд-во Института компьютерных исследований, 2004г.; Тяпкин А.А. «Об истории возникновения теории относительности». — Дубна: ОИЯИ, 2004; Логунов А.А. К работам Анри Пуанкаре «О динамике электрона» т – М .: Изд — во МГУ, 1988.
[5] Холтон Дж. Тематический анализ науки. — М.: Прогресс, 1981. С.88.
[6] См.: Эфирный ветер. Сб. статей. 2-е издание.//Под ред. В.А.Ацюковского. М.: Энергоатомиздат, 2011.
[7] Цит. по: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. — М.: Наука, 1989, стр. 161.
[8] См.: Баженов Л.Б. Проблемы пространства-времени // История и философия науки. Под ред. В.В.Миронова. – М.: Гардарики, 2006. С.107-108.
[9] Минковский Г. Пространство-время. Спб., «Физика» 1911. С. 26.
[10] См.: Эфирный ветер. Сб. статей. 2-е издание.//Под ред. В. А. Ацюковского. М.: Энергоатомиздат, 2011.
[11] Эйнштейн А. Собрание научных трудов. — М.: 1965-1967. Т. I I. С. 744.
[12] См.: Ацюковский В.А. Критический анализ основ теории относительности . — М .: Научный мир, 2012; Бриллюэн Л. Новый взгляд на теорию относительности – М: Наука, 1972; Казарян В.П. Понятие времени в структуре научного знания. М., Изд-во МГУ,1980.
[13] См.: Козырев Н. А. Избранные труды. — Ленинград: Изд-во Ленинград. ун-та, 1991. С.365
[14] См.: https://filosfak.ru/biblio/барашенков-в-эти-странные-опыты-козыр/
[15] Вернадский В. И. Проблемы биогеохимии. /Труды Биогеохимической лаборатории. Т. XVI. М.: Наука. 1980. С. 262.
[16] Вернадский В.И. Указ. Соч. С.274.
[17]См.: Аксенов Г.П. В.И.Вернадский о природе времени и пространства. – М.: Либроком, 2012.
[18] Вернадский В.И. Указ. Соч. С.276.
[19] Уитроу Дж., Естественная философия времени. – М.: Наука, 1964, с.82.
[20] См.: «Биологические часы». – М.: Мир, 1964.
[21] См.: Уитроу Дж. Ука. Соч. С. 81-82.
[22] Уитроу Дж. Указ. Соч. С.85.
[23] Уитроу Дж. Указ. Соч. С.89.
Date: 2015-09-03; view: 2098; Нарушение авторских прав