Субстанциальная концепция пространства и времени
Понятия абсолютного времени и абсолютного пространства, которые ввел И. Ньютон, играли значительную роль в развитии классической механики. Эти понятия легли в основу субстанциальной концепции пространства и времени. согласно этой концепции, материя, абсолютное время и абсолютное пространство являются тремя независимыми друг от друга субстанциями, началами мира.
При этом абсолютное пространство представляется в виде чистого и неподвижного вместилища. Абсолютное время рассматривается как чистая длительность, является абсолютной равномерностью событий.
Ньютон не исключал возможности наличия мира, в котором существует только абсолютное пространство и нет ни абсолютного времени, ни материи. Либо допустимо существование мира, в котором есть пространство и время, но отсутствует материя.
Абсолютное пространство и абсолютное время, по мнению Ньютона, являются реальными физическими характеристиками мира, однако непосредственно органам чувств они не даны, и их свойства можно постичь лишь в абстракции. Предполагается, что в будущем наука сможет найти реальные системы, которые будут соответствовать абсолютному пространству и абсолютному времени. Однако в повседневной деятельности человек сталкивается с относительными движениями, при которых связывает системы отсчета с какими-либо конкретными предметами. Таким образом, человек сталкивается с относительным временем и относительным пространством.
Реляционная теория пространства и времени
На протяжении длительного времени физики придерживались субстанциальной концепции пространства и времени Ньютона, использовали данные им определения абсолютного пространства и абсолютного времени. Например, постоянный оппонент Ньютона, Г. В. Лейбниц выступил с докладом, в котором критиковал субстанциальную концепции и предлагал принципы реляционной теории пространства и времени. По мнению Лейбница, пространство и время являются чем-то относительным. Пространство он называл порядком существований. Время Лейбниц называл порядком последовательностей. Пространство отражает порядок одновременных вещей, что объясняется их совместным существованием, при этом не касаясь их специфического способа бытия.
Однако в то время критика концепции пространства и времени Ньютона осталась без внимания, а разработка реляционной теории времени и пространства не оказала какого-либо заметного воздействия на физику.
Ученые и естествоиспытатели продолжали пользоваться субстанциальной концепцией Ньютона, различия составляли лишь признание либо непризнание существования пустого пространства.
Особой проблемой является проблема пространства, которая объединяет физику и геометрию. На протяжении длительного времени считалось, что свойства физического пространства одновременно являются и свойствами евклидового пространства. Это представлялось истиной, само собой разумеющейся. Эти взгляды отражались и в работах Канта. Он считал, что представления о времени и пространстве, выраженные в геометрии Евклида и механике Ньютона, являются единственно возможными.
Свойства пространства в неевклидовой геометрии
По-новому вопрос о свойствах пространства был озвучен в связи с открытием неевклидовой геометрии. Неудачи при попытке ряда ученых доказать пятый постулат Евклида вызвали мысль о невозможности его доказательства, а вместе с этим и возможность создания геометрии, которая основывается на других постулатах.
Первым к этой мысли пришел К. Ф. Гаусс. Он начал размышлять о создании неевклидовой геометрии еще в начале 19 века. Гаусс предположил, что представления о свойствах пространства не носят априорный характер, а имеют опытное происхождение. Однако свои идеи он скрывал от современников, так как не хотел принимать участие в острой дискуссии о возможности неевклидовой геометрии.
Родиной неевклидовой геометрии является Россия. В 1829 году Н. И. Лобачевский опубликовал работу «Начала геометрии», где доказал, что построение непротиворечивой геометрии, отличавшейся от геометрии Евклида, возможно. При этом Лобачевский отмечал, что вопрос о том, какой геометрии подчиняется реальное пространство, можно решить только опытным путем, и в первую очередь, при помощи астрономических наблюдений. По мнению Лобачевского, свойства пространства определяются свойствами материи и ее движения. Он считал возможным, что какие-то силы в природе подчиняются одной геометрии, другие – своей особой. Вопрос о выборе той или иной геометрии должен решить астрономический опыт.
В 1876 году была опубликована работа Б. Римана, в которой он высказал понимание бесконечности пространства. Он считал, что необходимо признать пространство неограниченным. Но если оно может иметь положительную постоянную кривизну, то бесконечным уже не является. Таким образом, появилось представление о разграничении бесконечности и безграничности пространства и времени.
Первое время идеи неевклидовых геометрий привлекли мало сторонников, так как представлялись противоречащими здравому смыслу и воззрениям, укрепившимся на протяжении многих столетий.
В 19 веке наступил переломный момент. В работах Э. Бельтрами, итальянского математика, были окончательно развеяны сомнения в логической верности неевклидовой геометрии, предложенной Лобачевским. Бельтрами, развивая идеи Гаусса в сфере дифференциальной геометрии, доказал, что на поверхностях псевдосферы – постоянной отрицательной кривизны – осуществляется как раз неевклидова геометрия.
Возник новый интерес к трудам Лобачевского. Стали проводиться многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий.
Развитие теории неевклидовых пространств привело к задаче построения механики в этих пространствах. Возник вопрос, не противоречат ли принципам механики неевклидовы геометрии? А если построение механики в неевклидовом пространстве невозможно, значит невозможно и реальное неевклидово пространство. Однако дальнейшие исследования доказали, что построение механики в неевклидовом пространстве возможно.
Но при этом появление неевклидовой геометрии, а позже и неевклидовой механики на первых этапах не оказало существенного влияния на физику. Пространство в классической физике продолжало оставаться евклидовым, и необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве физики не видели.
