В материальном мире все тела обладают протяженностью и локализованы в определённом месте пространства по отношению друг к другу. Данные самые общие свойства материальных тел нашли отражение в человеческом сознании в форме пространственных понятий. Математической формулировкой данных свойств выражается как система понятий геометрии и их связей.
Пространство и материальные тела
Формирование «простейшей» эвклидовой геометрии было осуществлено 2,5 тыс. лет тому назад. Практически сразу возникло две точки зрения на геометрию как науку:
- Появившись в человеческом сознании как отображение свойств тел, понятие «пространство» получило у некоторых ученых самостоятельность. Эти исследователи полагали, пространство существующим независимо от материи. Результатом стало то, что геометрия утратила свойства науки о материальных телах и стала наукой о свойствах самого пространства.
- Другая группа ученых не отделяла пространство от свойств материальных тел.
Данные точки зрения были противоположны всю историю существования науки.
К самым ярким представителям первой точки зрения относят пифагорейцев (V в до н.э.). Один из представителей этого течения А. Терентский писал о том, что пространство является первым из бытий, это что -то отличающееся от тел и не являющееся зависимым от них. Он говорил о том, что все тела расположены в пространстве, а оно само не находится ни в чем. Исследователь считал, что тела зависят от пространства, пространство мешает бесконечному росту объема пространства.
К представителям второй точки зрения на пространство можно отнести Платона. Философ считал, что внутри Вселенной нет пустоты, которая бы отличалась от тел, но он считал, что пустота есть за пределами Вселенной.
Аристотель тоже считал, что нет пустоты, которая не зависела бы от тел. Он считал, что способность тел перемещаться показывает не наличие пустоты, а то, что тела занимают определенные места.
Ньютон синтезировал обе точки зрения на пространство. Он считал, что:
- Имеется Абсолютное пространство, являющееся безотносительным ко всему внешнему и остающееся всегда недвижимым и неизменяющимся.
- Существует Относительное пространство, которое определяется органами чувств человека и это часть ограниченного пространства.
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.
Далее связь пространства и матери развивает теория относительности.
В философии развитие идей о материи представлено в виде идей диалектического материализма о пространстве и времени, где пространство и время – это формы существования материи и, следовательно, без материи не существуют.
Сейчас уже не оспаривается, что нет смысла рассматривать свойства пространства, как нечто обособленное, несвязанное со свойствами материи и ее движением. В настоящее время положения о свойствах пространства обладают смыслом утверждений о взаимосвязях материальных объектов. Соотношения геометрии – это отношения материальных тел.
Количество измерений пространства
Считают, что пространство имеет три измерения. Следовательно, положение точки в нашем пространстве описывают при помощи трех чисел. Какие это будут числа, определяется системой координат, в которой рассматривается положение точки пространства.
Если при описании положения точки в пространстве требуются $n$ - координат, то такое пространство называют $n$ -мерным.
В физике некоторые явления удобно рассматривать в пространстве непространственных переменных. Так, импульс играет важную роль в механике. Иногда говорят о пространстве импульсов. Этому пространству приписывают количество измерений, которое равно количеству независимых переменных, характеризующих импульсы частиц исследуемой системы.
Понятие времени
В окружающем мире постоянно происходят изменения. Следующие свойства претерпевающего изменения мира отображаются в понятии времени:
- Явления идут в определенной последовательности.
- Каждое явление обладает длительностью.
- В мире идет непрерывное развитие.
Временем считают свойство материальных явлений обладать определенной продолжительностью, иметь определенную последовательность и происходить согласно некоторому распорядку.
Из сказанного о времени выше, следует, что время невозможно отделить от материи и ее движения. Время – это форма существования материи.
Как уже было отмечено, нет смысла исследовать пространство отдельно от материи, нельзя говорить о времени как совершенно отдельном объекте или свойстве. Представлять ход времени без связи с материальными явлениями бессодержательно.
Исследование пространства, времени и материальных процессов в их взаимной связи делает понятие времени наполненным физическим содержанием.
Периодические процессы
В череде явлений природы выделяются повторяющиеся процессы, повторение:
- времен года,
- перемещение небесных светил по небу,
- дыхание,
- сердцебиения и т. д.
Наблюдение за подобными, повторяющимися процессами, сравнение их между собой ведет к идее продолжительности процессов в природе и к идее измерения длительности. При этом выделяют процессы, которые имеют постоянство длительности и в их среде выбирают процесс, который можно принимать как эталон измерения времени.
Самым важным положением является высказывание: Часы в разных точках отсчета идут одинаково.
Рассмотрим процесс, который переносит информацию из первой точки во вторую. Этот процесс считают сигналом. Примерами сигналов могут быть:
- вспышка света,
- пуля, движущаяся из одной точки в другую...
Отправка, передача и прием сигналов происходит в одинаковых условиях. Станем отправлять из одной точки сигналы через равные промежутки времени. Во вторую точку сигналы попадают спустя равные отрезки времени, значит, темп хода часов в разных точках один. Эту проверку можно сделать для разных пар точек. Проверку темпа хода часов в разных точках проводится при помощи всех возможных видов сигналов.
Возможна ситуация, когда в системе отсчета нет единого времени, и в разных точках скорость хода времени разная. Например, в системе отсчета, которая связана с Землей, нет единого времени. Разность в темпе хода часов в разных точках около Земли не существенна. При разности высот над уровнем Земли в 10 метров, продолжительность некоего явления в данных точках составляет $10^{-15}$ от его длительности.
Невозможность использования единого времени около поверхности Земли вызвано наличием поля тяготения. Если тяготением можно пренебречь, то можно говорить о едином времени.
В неинерциальных системах отсчета, так же имеется проблема с введением единого времени.
