Какими свойствами обладает пространство
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
Пространство и время являются универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени.
Обычно выделяют всеобщие, общие и специфические свойства пространства и времени.
Всеобщие свойства пространства и времени: объективность и независимость от человеческого сознания; универсальность – проявляется на всех структурных уровнях материи; неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей; бесконечность – нет места, где пространство и время отсутствовали бы.
Общие свойства пространства: протяженность – существование и связь различных элементов; единство прерывности и непрерывности. Непрерывность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве. Прерывность проявляется в раздельном существовании материальных объектов. Их единство – это характер перемещений тел от точки к точке; трехмерность – пространство трех измерений.
Общие свойства времени:длительность – последовательность смены состояний; необратимость – однонаправленность от прошлого к будущему; неповторяемость – невозможность повторения прошлых событий; одномерность – линейная последовательность событий, связанных друг с другом.
Специфические свойства пространства:конкретные формы и размеры тел; наличие у них внутренней симметрии или асимметрии; изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верх, низ и др.). Неоднородность означает различные значения кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.
Специфические свойства времени:конкретная длительность существования систем; скорость протекания процессов.
В современной науке используется также понятие биологического и социального пространства и времени.
Специфическими пространственно-временными свойствами в биологических системах являются: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутриорганизменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг своей оси и сменой времен года.
Социальное пространство и время характеризуют особенности протяженности и пространственности социальных объектов.
Социальное время характеризует длительность, последователь-ность этапов материальной и духовной деятельности человека. Главным фактором, определяющим ход социального времени, является деятельность человека, направленная на преобразование среды и самого себя. Все известные единицы календарного времени – секунды, минуты, часы, дни – могут быть достаточно точно измерены.
Совсем другое дело – исчисление длительности социальных процессов – это эпоха, эра, сессия, сезон, семестр и т. п. Все они не могут быть не только определены, но не образуют соотношений между собой. Размышляет так и Плиний Старший, римский писатель и ученый, автор афоризма«Не считать надо дни, а взвешивать». Очевидно, что значимые для человека и общества характеристики длительности должны стать компонентами социального времени.
С социальным временем связано и личное время человека. Можно встретить два типа людей, которые по-разному относятся к своему личному времени: одни им вполне самостоятельно распоряжаются, другие не знают, как его провести, чем заполнить. Личностное время используется непосредственно при определении многих ценностей человеческой жизни и, прежде всего, его деятельности. Леонардо да Винчи считал удавшейся независимо от ее длительности всякую жизнь, прожитую хорошо и достойно.
Личностному времени присуще чувство ритма, так, например, в жизни каждого человека устанавливается определенная последовательность событий: детство, юность, получение образования, начало творческой деятельности, вступление в брак, рождение детей и т. д. Такая последовательность выражает ритмическую организацию индивидуальной жизни, но не всякая последовательность носит ритмический характер. Несовпадение важнейших этапов социальной зрелости человека с его календарным возрастом или общепринятым ритмом организации общественной жизни является проявлением аритмии личностного времени.
Необходимо отметить сложность и неоднозначность пространственно-временных отношений на уровне отдельного человека. Личностные время и пространство обусловлены особенностями восприятия самого человека. Именно с ними приходится соизмерять свои поступки, строить планы. Научный подход в этом вопросе необходим для более целостного видения мира.
Во всех перечисленных и других системах проявляются всеобщие свойства пространства и времени.
Выводы:
– Фундамент СТО составляют два постулата.
– СТО изменила представление о характере взаимодействий. Скорость передачи взаимодействия не может превышать скорость света в вакууме.
– Релятивистские эффекты пространства и времени не иллюзорны, а действительны.
– Согласно ОТО, тяготение – это не что иное, как искривленность пространственно-временного континуума.
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь становления и развития. В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событий, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов. Обыденные представления о пространстве и времени рассматривали их как внешние условия бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, даже если бы материя исчезла.
Наиболее отчетливо концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени сформулировал И. Ньютон в работе «Математические начала натуральной философии». По Ньютону пространство и время составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего, представляют собой самодовлеющие элементы бытия, существующие вне и независимо от любых материальных процессов, это некоторые универсальные условия, в которые помещена материя.
Развитие естествознания привело к принципиально другим толкованиям пространства и времени. Современное понимание пространства и времени сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна. По Эйнштейну пространство и время – формы существования материи, не существующие вне материи, эти атрибуты материи определяются ее связями и взаимодействиями. Далее этот вопрос будет рассмотрен более подробно.
Всеобщими свойствами пространства и времени являются их объективность и независимость от человеческого сознания, проявление на всех структурных уровнях существования материи, неразрывная связь друг с другом и с движущейся материей. Невзирая на неразрывную связь между собой, пространство и время обладают рядом специфических свойств.
Рассмотрим основные свойства пространства.
1 Однородность – все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, нет выделенных точек пространства, параллельный перенос системы координат не изменяет законов природы.
2 Изотропность – все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, нет выделенных направлений; поворот системы координат на любой угол сохраняет неизменными законы природы.
3 Непрерывность – между двумя любыми различными точками в пространстве, как бы близко они не находились, всегда есть третья.
4 Трехмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел (координат).
5 Евклидовость – свойства пространства описываются геометрией Евклида.
Рассмотрим два последних свойства более подробно.
На глубокую связь между размерностью пространства и законом всемирного тяготения указывал еще И. Кант. Согласно теореме Эренфеста (1917), большинство взаимодействий убывает с расстоянием по закону F~1/rn-1, где n – размерность пространства. Таким образом,трехмерность пространства приводит к тому, что в нашем мире работает «закон обратных квадратов», т.е. силы убывают пропорционально квадрату расстояния (сила гравитационного взаимодействия, сила взаимодействия электрических зарядов и т.д.). В четырехмерном пространстве (n=4) сила взаимодействия между планетами была бы обратно пропорциональна кубу расстояния между ними. В таком воображаемом мире планеты двигались бы по спиралям и быстро упали бы на Солнце. При числе измерений более трех не существовало бы и устойчивых электронных орбит в атомах, следовательно, не было бы химических процессов и жизни.
Установлено, что при распространении волн в пространстве с четным числом измерений наблюдаются искажения, нарушающие переносимую волной информацию. Пример тому – распространение волны по резиновому покрытию (n=2). Г. Дж. Уитроу (1955 г.) пришел к выводу, что поскольку живым организмам необходимы передача и обработка информации, то высшие формы жизни не могут существовать в пространстве четной размерности. Следует отметить, указанные выводы относятся к известным нам законам природы и формам жизни и не исключают существование миров иной природы.
Согласно Оксфордскому толковому словарю, геометрия – это наука о свойствах и отношениях величин в пространстве. Древнегреческий математик Евклид (около 330-275 до н.э.) создал стройное учение о свойствах пространства, т.н. евклидову геометрию, которая практически в неискаженном виде до сих пор входит в школьный курс. Геометрия Евклида основана на 10 постулатах (утверждений, истинность которых считается очевидной и принимается на веру). Все остальное покоится на этих постулатах как здание на своем фундаменте. Если изменить постулаты, то изменится и весь предмет, что на них основан. В геометрии Евклида постулируется, что линия, вдоль которой расстояние между двумя точками M и N минимально, есть прямая; касательная к этой линии не меняет своего направления от точки к точке. Постулат Евклида о параллельных утверждает, что через точку Р можно провести одну и только одну прямую, параллельную заданной прямой MN, не содержащей точки Р (рисунок 1).
Рисунок 1 – Понятие прямой в геометрии Евклида
Сумма углов треугольника в пространстве Евклида равна 180°, отношение длины окружности к ее диаметру равно π.
Пространство с такими свойствами называется плоским или пространством с нулевой кривизной (R=0). Плоскому пространству соответствует т.н. евклидова метрика
dl2 = dx2 + dy2 + dz2. (2.1)
Физика Ньютона опирается на геометрию Евклида, т.е. это физика плоского пространства.
Примером двумерного плоского пространства служит лист бумаги. Легко представить искривленное двумерное пространство: поверхность сферы или поверхность горлышка кувшина в самой узкой его части. Первый пример относится к классу поверхностей с положительной кривизной (R>0), второй – к классу поверхностей с отрицательной кривизной (R<0). Геометрия искривленного пространства с положительной кривизной была создана в 60-х годах XIX в. Б. Риманом. Н.И. Лобачевский и Я. Больяй разработали геометрию пространства с отрицательной кривизной.
На поверхности с положительной кривизной нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной; сумма углов треугольника больше 180º. В геометрии Лобачевского и Больяй постулируется, что через заданную точку в пространстве с отрицательной кривизной можно провести сколько угодно прямых параллельных данной. Сумма внутренних углов треугольника на поверхности с отрицательной кривизной меньше 180º. Примеры двумерных пространств с разной кривизной представлены на рисунке 2.
Понятия плоского и искривленного пространства можно обобщить на случай более двух измерений. Эйнштейн показал, что кривизна пространства обуславливается гравитирующей массой, геометрия реального пространства-времени всегда неевклидова.
Рассморим основные свойства времени.
1 Однородность – любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разное время, протекают одинаково.
2 Непрерывность – между двумя различными моментами времени, как бы близко они не находились, всегда можно выделить третий.
3 Одномерностьвремени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения точки в пространстве необходимо задать три координаты (пространство трехмерно), то для определения времени достаточно одной.
4 Необратимость – однонаправленное изменение от прошлого к настоящему и от настоящего к будущему, но никогда наоборот.
Перечисленные свойства пространства и времени определяют характер физических законов. Симметрия времени (связанная с его однородностью) и симметрия пространства (связанная с его однородностью и изотропностью) приводят к фундаментальным законам сохранения энергии, импульса и момента импульса. Необратимость времени связана со вторым законом термодинамики. Эти вопросы будут рассмотрены позднее.
Движением в механике называют изменения положения тела в пространстве с течением времени.
Пространство и время бессмысленно рассматривать в отдельности от материального мира.
Пространство отражает порядок сосуществования объектов мира. Время показывает последовательность перемены явлений. Нет процессов в природе, которые происходили бы вне времени и вне пространства.
Пространство и время являются формами существования материи. Пространство и время имеют тесную и неразрывную связь. Мир, в котором мы живем, является четырехмерным:
- Три измерения в нашем мире – относят к пространству.
- Одно измерения связывают со временем.
Относительность движения
Тела могут перемещаться в пространстве, то есть осуществлять механическое движение. Высказывание о том, что два разных события, произошедшие не одновременно, состоялись в одном месте, лишено смысла, до момента указания системы отсчета, в которой эти события рассмотрены.
Перемещение в пространстве обладает строго определённым содержанием, если указаны тела, по отношению к которым происходит движение рассматриваемого объекта.
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Любое движение относительно так формулируется одно из фундаментальных свойств природы.
В этой связи для описания перемещения тел в пространстве вводят понятие системы отсчета. Система отсчета включает:
- тело отсчета, с целью фиксирования положения исследуемого объекта;
- процесс, являющийся эталоном, для фиксирования времени. Эталонный процесс фиксации времени реализуют при помощи часов. Часы используют для того, чтобы отмечать временные моменты, которые отвечают положениям перемещающегося тела в некоторые моменты.
Определение 1
Тело отсчета, система координат, часы составляют систему отсчета.
Самым простым и часто применяемым примером системы координат, является прямоугольная декартова система координат. Декартова система координат составлена тройкой взаимно нормальных плоскостей, которые жестко связаны с телом отсчета.
Точку пересечения этих плоскостей называют началом координат, линии пересечения плоскостей дают координатные оси.
Координатами точки является тройка расстояний от начала координат до координатных плоскостей.
При решении задач применяют систему координат, которая позволяет максимально упростить процедуру работы задачей.
К наиболее востребованным системам координат относят:
- декартову систему координат;
- цилиндрическую систему координат;
- сферическую систему координат.
Определение 2
Количество независимых координат, которые однозначно определяют положения тела (или совокупности тел) в пространстве, носит название числа степеней свободы.
Абсолютность и относительность длин и промежутков времени
Нерелятивистская физика считает длины тел и промежутки времени абсолютными. В таком случае:
- Можно считать события одновременными не отмечая системы отсчета, где данные события рассматриваются.
- Стоит рассматривать длину тела, не обращая внимания на состояние его движения или покоя в системе отсчета.
Если исследуются медленные (в сравнении со скоростью света в вакууме) движения, то релятивистские эффекты можно не учитывать. Но существуют разделы физических исследований, где без учета данных эффектов не обойтись, например, ядерная физика.
В специальной теории относительности (СТО), которая была создана Эйнштейном, одновременность событий, разделенных в пространстве, является относительной. Это означает, что пара событий, происходящих одновременно в одной системе отсчета, могут быть не одновременными в другой системе отсчёта, перемещающейся по отношению к первой.
Длина тела в теории Эйнштейна, тоже является относительной, поскольку связана с системой, в которой происходит измерение. СТО показывает, что следует отметить разницу между длиной стержня, который находится в покое ($l_0$) и длиной стержня, движущегося относительно системы отсчета ($l$)
$l_0 ne l$.
Длины $l_0$ и $l$ равны в случае движений с небольшими скоростями.
Так, в общем случае следует считать, что промежутки времени и длины отрезков являются относительными.
Свойства пространства
Сформулируем свойства пространства, которые можно считать основными:
- Исследуемое нами пространство является однородным. Это означает, что в нем нет точек с разными свойствами. Если произвести параллельный перенос системы отсчета, то рассматриваемые в ней законы физики не будут изменяться.
- Пространство изотропно. В пространстве нет выделенных направлений. При повороте системы отсчета на произвольный угол законы природы не изменятся.
- Пространство обладает свойством непрерывности. Между даже самыми близкими точками пространства всегда имеется третья точка.
- В нашем мире пространство является трехмерным. Положение точки однозначно описывают три действительных числа (координаты).
Математической формулировкой свойств пространства является система понятий геометрии и их связей. Формирование «простейшей» эвклидовой геометрии было выполнено 2,5 тыс. лет тому назад. Следующий шаг в описании соотношения пространства и материальных тел сделан в неевклидовой геометрии. Лобачевский, например, считал, что пространство не существует отдельно от человека в том смысле, что в природе познается только движение. Все остальные понятия, в том числе геометрические – это порождение ума человека, взяты из свойств движения.
Свойства времени
К основным свойствам времени относят:
- Временную однородность. Если рассматривать два события, которые проходят при одинаковых условиях, но в разное время, то они будут происходить одинаково.
- Непрерывность времени означает то, что если имеются два момента времени, и они очень близки, то всегда между ними можно найти еще момент времени.
- В настоящее время считают, что время течет в одном направлении от настоящего в будущее.
Свойства пространства и времени являются определяющими в характере законов физики. Так, например, законы сохранения энергии и импульса основаны на симметрии времени, которая исходит из его однородности и симметрии пространства (основы однородность и изотропность пространства).
Основной второго начала термодинамики является временная необратимость.