Современная наука о строении материи 3 страница

Теория относительности эти представления опровергла, вернее, показала их ограниченную применимость. Оказалось, что только тогда, когда скорости движения малы по отношению к скорости света, можно приблизительно считать, что размеры тел и ход времени остаются одними и теми же, но когда речь идет о движениях со скоростями, близкими к скорости света, то изменение пространственных и временных интервалов становится заметным. При увеличении относительной скорости движения системы отсчета пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются.

Это совершенно неожиданный для здравого смысла вывод. Получается, что ракета, которая имела на старте некоторую фиксированную длину, при движении со скоростью, близкой к скорости света, должна стать короче. Вместе с тем в этой же ракете замедлились бы и ход часов, и пульс космонавта, и его мозговые ритмы, обмен веществ в клетках его тела, то есть время в такой ракете протекало бы медленнее, чем время у наблюдателя, оставшегося на месте старта. Это, конечно, противоречит нашим обыденным представлениям, которые формировались в опыте относительно малых скоростей и поэтому недостаточны для понимания процессов, которые развертываются с околосветовыми скоростями.

Теория относительности обнаружила еще одну существенную сторону пространственно-временных отношений материального мира. Она выявила глубокую связь между пространством и временем, показав, что в природе существует единое пространство-время, а отдельно пространство и отдельно время выступают как его своеобразные проекции, на которые оно по-разному расщепляется в зависимости от характера движения тел.

Абстрагирующая способность человеческого мышления разделяет пространство и время, полагая их отдельно друг от друга. Но для описания и понимания мира необходима их совместность, что легко установить, анализируя даже ситуации повседневной жизни. В самом деле, чтобы описать какое-либо событие, недостаточно определить только место, где оно происходило, важно еще указать время, когда оно происходило.

До создания теории относительности считалось, что объективность пространственно-временного описания гарантируется только тогда, когда при переходе от одной системы отсчета к другой сохраняются отдельно пространственные и отдельно временные интервалы. Теория относительности обобщила это положение. В зависимости от характера движения систем отсчета друг относительно друга происходят различные расщепления единого пространства-времени на отдельно пространственный и отдельно временной интервалы, но происходят таким образом, что изменение одного как бы компенсирует изменение другого. Если, например, сократился пространственный интервал, то настолько же увеличился временной, и наоборот.

Получается, что расщепление на пространство и время, которое происходит по-разному при различных скоростях движения, осуществляется так, что пространственно-временной интервал, то есть совместное пространство-время (расстояние между двумя близлежащими точками пространства и времени), всегда сохраняется, или, выражаясь научным языком, остается инвариантом. Объективность пространственно-временного события не зависит от того, из какой системы отсчета и с какой скоростью двигаясь наблюдатель его характеризует. Пространственные и временные свойства объектов порознь оказываются изменчивыми при изменении скорости движения объектов, но пространственно-временные интервалы остаются инвариантными. Тем самым специальная теория относительности раскрыла внутреннюю связь между собой пространства и времени как форм бытия материи. С другой стороны, поскольку само изменение пространственных и временных интервалов зависит от характера движения тела, то выяснилось, что пространство и время определяются состояниями движущейся материи. Они таковы, какова движущаяся материя.

Таким образом, философские выводы из специальной теории относительности свидетельствуют в пользу реляционного рассмотрения пространства и времени: хотя пространство и время объективны, их свойства зависят от характера движения материи, связаны с движущейся материей.

Идеи специальной теории относительности получили дальнейшее развитие и конкретизацию в общей теории относительности, которая была создана Эйнштейном в 1916 году. В этой теории было показано, что геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения, которое, в свою очередь, определено взаимным расположением тяготеющих масс. Вблизи больших тяготеющих масс происходит искривление пространства (его отклонение от евклидовой метрики) и замедление хода времени. Если мы зададим геометрию пространства-времени, то тем самым автоматически задается характер поля тяготения, и наоборот: если задан определенный характер поля тяготения, расположения тяготеющих масс относительно друг друга, то автоматически задается характер пространства-времени. Здесь пространство, время, материя и движение оказываются органично сплавленными между собой.

Проблема размерности пространства-времени и его бесконечности

Пространство-время нашего мира имеет четыре измерения: три из них характеризуют пространство и одно - время. Чтобы задать положение тела в пространстве, достаточно трех координат, а временная характеристика события определяется одной координатой. Иначе говоря, пространство имеет размерность 3, а время - 1.

В истории философии и естествознания эти свойства пространства и времени не раз пытались объяснить и обосновать. Например, средневековые схоласты, опираясь на учение пифагорейцев и Аристотеля, стремились объяснить трехмерность пространства соображениями о совершенстве мира. К линии, образующей длину, может быть присоединена ширина, и тогда образуется поверхность; путем присоединения высоты получается тело, но наглядно представить переход к другим измерениям невозможно, а поэтому утверждалось, что трехмерность дает совершенство и целостность. К этому добавлялись рассуждения о священном статусе числа 3, поскольку все в мире имеет начало, середину и конец.

Г. Галилей, критически рассматривая эти "доводы", саркастически замечал, что если число 3 признать совершеннее, чем 4 или 2, то тогда трудно понять, почему, например, у животных и человека нет трех ног. Утверждения же о невозможности мыслить пространство больше, чем в трех измерениях, Галилей справедливо считал простым обобщением опыта. Тем самым было зафиксировано, что трехмерность пространства и одномерность времени должны быть поняты прежде всего как опытный факт.

Новый подход к проблеме трехмерности пространства был намечен И. Кантом, который пытался связать размерность пространства с фундаментальными особенностями движения тел. Идея Канта опережала свой век, поскольку тогда естествознание не располагало достаточными возможностями для конкретизации и развития этой идеи. Такие возможности появились только в науке XX века. Первый шаг был сделан в 20-е годы в работах австрийского физика П. Эренфеста, показавшего, что трехмерность пространства является условием существования устойчивых связанных систем, состоящих из двух тел. В пространстве более трех измерений такие системы невозможны, в нем не существовало бы замкнутых орбит планет и не могли бы образовываться планетные системы. Впоследствии этот вывод был обобщен применительно к атомам и молекулам. Было показано, что только в трехмерном пространстве возможно образование электронных оболочек вокруг ядра, существование атомов, молекул и макротел. Таким образом, выясняется, что многообразие видов материи в нашей Метагалактике тесно связано с такой фундаментальной характеристикой пространства-времени, как его размерность 3 + 1.

Учитывая современные концепции возникновения Метагалактики и гипотезы о существовании внеметагалактических объектов - других миров, возникающих в результате фазовых переходов физического вакуума, есть основание поставить вопрос: возможно ли объективное существование пространства и времени других размерностей?

Проблема многомерности пространства, правда в несколько иной постановке, имеет давнюю историю. Она активно обсуждалась еще в науке XIX века в связи с разработкой идеи многомерных пространств в математике и с применением геометрических образов многомерного пространства при решении различных научных задач. Идея многомерных пространств породила множество спекуляций. Различные мистические учения связывали бытие духов и ада с четвертым и пятым измерениями. Наука справедливо критиковала такие трактовки. Она подчеркивала, что многомерные пространства математики являются абстракцией, которая фиксирует "пространственно-подобные" отношения между реально существующими свойствами и характеристиками материальных объектов, но сами эти объекты существуют только в трехмерном пространстве.

Точка зрения, согласно которой пространства, имеющие более трех измерений, являются абстракциями, но не реально существующим пространством природы, получила довольно широкое распространение. Однако сейчас она требует корректировки. При этом, конечно, остается справедливой критика в адрес мистических концепций пространства, поскольку из того факта, что в реальном материальном мире возможно пространство-время с более высокими, чем 3+1, размерностями, вовсе не следует, что в этом мире должны обитать духи, существовать ад или рай.

В современных концепциях супергравитации, где сильные, электрослабые и гравитационные взаимодействия связываются между собой и рассматриваются как своеобразные расщепления глубинного взаимодействия, в котором они первоначально неразличимы, вводится представление о десятимерном пространстве-времени. В этой модели мира размерность 3+1, свойственная пространству-времени Метагалактики, рассматривается как результат развития данного пространства и времени из предшествующих ему пространственно-временных структур, характеризующих состояние физического вакуума. Эти представления о развитии Вселенной допускают предположение, что при рождении нашей Метагалактики только четыре из десяти измерений пространства-времени обрели макроскопический статус, а остальные оказались как бы свернутыми (компактифицированными) в глубинах микромира, в областях 10 (в -33 степени) см. Их можно обнаружить, только проникнув в эти области, но там мы столкнемся с какими-то принципиально иными мирами. Не исключено, что развитие материи порождает наряду с нашей Метагалактикой множество различных миров, которые характеризуются другими размерностями пространства-времени. В этих мирах могут принципиально отсутствовать условия для возникновения известных нам форм материи, но, возможно, возникают и неизвестные нашей Метагалактике материальные структуры.

Новейшие представления о развитии материи необходимо учитывать при рассмотрении и такой важнейшей философской проблемы, как проблема бесконечности мира в пространстве и времени.

Часто бесконечность пространства и времени рассматривается как чисто количественная характеристика. Древнегреческий философ Архит приводил следующий наглядный образ такого понимания бесконечности. Если бросить копье по прямой, затем подойти к месту, где оно воткнулось, снова бросить копье и повторять эту операцию, все дальше удаляясь от места первого броска, то мы нигде не натолкнемся на границу, которая не позволила бы нам вновь бросать копье. Бесконечно удаляясь от места первого броска, мы никогда не вернемся в исходную точку. Понимание бесконечности пространства как беспредельного прибавления все новых единиц расстояния дополняется трактовкой бесконечности времени как беспредельного прибавления единиц длительности. Математическим образом такой бесконечности служит бесконечный натуральный ряд чисел, когда можно неограниченно прибавлять все новые и новые единицы, получая сколь угодно большие числа и нигде не имея предельного числа.

Гегель называл такую чисто количественную бесконечность "дурной" бесконечностью, поскольку она абстрагируется от качественных скачков. Бесконечность материи в пространстве и времени нужно понимать не в чисто количественном, а в качественном смысле. Это значит, что на разных уровнях организации материи можно столкнуться с качественно различными структурами пространства и времени.

Современные космологические представления допускают, что Большая Вселенная состоит из множества миров, аналогичных нашей Метагалактике. В этих мирах могут быть принципиально иные формы пространства и времени. Происхождение же нашей Метагалактики не означало творения времени и пространства как таковых, а лишь возникновение характерных для нашего мира специфических пространственно-временных структур. Причем эти структуры, в свою очередь, развивались по мере появления все новых уровней организации материи.

Качественное многообразие форм пространства-времени в неживой природе

Идея качественного многообразия пространственно-временных структур - важный компонент концепции пространства и времени. Утверждая неразрывную связь пространства-времени с движущейся материей, эта концепция предполагает, что развитие материи и появление новых форм ее движения должно сопровождаться становлением качественно специфических форм пространства и времени. Современная наука дает большой материал для разработки и конкретизации этой идеи.

Три основные сферы материального мира - неживая природа, жизнь, общество - характеризуются специфическими пространственно-временными структурами. В свою очередь, в неживой природе, представленной возникшими в нашей Метагалактике уровнями организации материи, существуют особенности пространства-времени в мега-, макро и микромире.

В локальных областях макромира, когда можно абстрагироваться от искривления пространства-времени вблизи больших тяготеющих масс, пространство-время характеризуется евклидовой геометрией. В масштабах галактик и Метагалактики существенную роль начинает играть кривизна пространства-времени (его отклонение от евклидовой метрики), связанная с взаимодействием тяготеющих масс. Характер кривизны пространства Метагалактики зависит от средней плотности в ней вещества и полей. Если эта плотность больше критической (10 (в -29 степени) г/см3), то пространство будет замкнутым, а время будет иметь несколько особых точек, в которых Метагалактика может сжиматься до сверхплотного состояния, когда ее размеры для внешнего наблюдателя становятся даже меньше размеров элементарных частиц. Наличие нескольких таких временных точек означает, что Метагалактика пульсирует, переходя от стадии расширения к стадии сжатия. Если же плотность меньше критической, то кривизна пространства будет соответствовать незамкнутой Вселенной, имеющей только одну особую временную точку, в которой происходит Большой Взрыв и далее начинается стадия неограниченного расширения.

Согласно современным научным данным, для нашей Метагалактики, скорее всего, характерен второй сценарий эволюции. Но современная космология допускает существование и других миров, внеметагалактических объектов, которые могут пульсировать, переходя от стадии расширения к стадии сжатия, сжимаясь до практически точечных размеров для внешнего наблюдателя.

Расширение нашей Метагалактики выражает особые свойства ее пространственно-временной организации. В процессе разбегания галактик их скорости возрастают по мере удаления друг от друга. При скоростях, сопоставимых со скоростью света, возникают эффекты заметного различия в характере расщепления пространства-времени на пространственную и временную составляющие.

Существует так называемый метагалактический горизонт, на котором скорости разбегания становятся равными скорости света. На горизонте время как бы останавливается. Но сам горизонт относителен. Если представить себе наблюдателя, находящегося на горизонте, то по отношению к нему Земля вместе с галактикой удаляется от него со скоростью света. Этот наблюдатель с полным правом полагал бы нас находящимися на метагалактическом горизонте, и для него наше время как бы останавливалось.

В самом начале расширения, когда плотность вещества была огромной, пространство-время имело особые свойства. В этом зародышевом состоянии наша Метагалактика была подобна микрообъекту и характеризовалась теми пространственно-временными структурами, которые присущи глубинам микромира.

Современная физика сформулировала ряд перспективных гипотез, касающихся природы этих структур. Квантовые эффекты, единство непрерывного и дискретного она распространяет и на пространство-время. По-видимому, в областях 10 (в -33 степени) см и 10 (в -43 степени) сек (сфера действия кванта) пространство и время становятся дискретными и дальнейшее их деление на части невозможно. Становление Метагалактики означало формирование пространства-времени макро- и мегамира из пространственно-временных структур микромира. Точно так же, как в процессе развития появляются новые виды материи и формы ее движения, возникают и соответствующие им типы пространственно-временных структур.

Особенности биологического пространства-времени

Появление живой природы также было связано с формированием специфического типа ее пространственно-временной организации. Возникает особое, биологическое пространство-время, как бы вписанное во внешнее по отношению к нему пространство-время неживой природы. Особенности биологических пространственно-временных структур проявляются на разных уровнях организации живого. Пространственную организацию живых молекул характеризует асимметрия "левого" и "правого" в группировках атомов. Большинство органических молекул может существовать в двух формах, отличающихся пространственной ориентацией одних и тех же группировок атомов, причем форме с "правосторонней" группировкой соответствует зеркальная ей "левосторонняя" форма. Что же касается живых систем, то в составляющих их молекулах имеются только "левосторонние" формы.

Хотя эта особенность пространственных характеристик живых систем известна уже давно, она не получила пока общепринятого объяснения. Еще Л. Пастер считал, что асимметрия является результатом действия каких-то внешних природных факторов, к которым приспосабливалась жизнь. Неравенство правизны и левизны проявляется не только на молекулярном уровне, но и на уровне организмов, выражаясь в их строении и динамике. Существует не только симметрия, но и асимметрия в строении органов, в композиции частей тела сложных организмов. Такое сочетание симметрии и асимметрии обеспечивает активно-приспособительные реакции организмов, разнообразие движений и функций, необходимое для их выживания.

В. И. Вернадский, отмечая эту особенность пространственной организации живого, подчеркивал принципиально неевклидовый характер пространственной асимметрии, свойственной живым организмам. Для трехмерного Евклидова пространства макромира, в которое вписывается живой организм, "правое" и "левое" тождественны. Отсутствие этой тождественности, резкое проявление левизны в организации живого Вернадский оценивал как свидетельство особенностей биологического пространства [1]. Он выдвигал гипотезу, согласно которой биосферу следует рассматривать как сложную композицию различных неевклидовых пространств организмов и локальных Евклидовых пространств неорганических объектов, с которыми взаимодействуют эти организмы.

1 См.: Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. М., 1988. С. 270-271.

Живая материя имеет специфику не только пространственной, но и временной организации. Приспособительная активность организмов во многом связана с формированием в процессе эволюции внутри них своеобразных моделей временной организации внешних процессов. Такие модели являются уже известными нам биологическими часами. "Тиканье" таких часов означает запуск и отключение внутри организма цепей химических реакций, которые обеспечивают его приспособление к определенному ритмическому чередованию факторов внешней среды, связанному со сменой дня и ночи, времен года и т.д. Система таких химических реакций предвосхищает наступление определенных состояний внешней среды, обеспечивает готовность организма к целесообразному функционированию в условиях, которые должны с определенной вероятностью наступить в будущем. Во внутреннем времени организма, в ритмах его биологических часов внешнее время как бы сжимается, а затем происходит активный перенос на будущее этих "спрессованных" ритмов протекшего внешнего времени. Живой организм путем иерархической организации системы биологических часов (от клетки до работы отдельных органов и системы органов) запускает такие реакции, которые обеспечат его приспособление к будущим событиям. Он как бы обгоняет время. Спрессовывая прошлое в своей внутренней пространственно-временной организации, он живет и настоящим и будущим одновременно.

Социальное пространство и время

Пространственные структуры, характеризующие общественную жизнь, не сводятся ни к пространству неживой природы, ни к биологическому пространству. Здесь возникает и исторически развивается особый тип пространственных отношений, в котором воспроизводится и развивается человек как общественное существо. Социальное пространство, вписанное в пространство биосферы и космоса, обладает особым человеческим смыслом. Оно функционально расчленено на ряд подпространств, характер которых и их взаимосвязь исторически меняются по мере развития общества.

Уже на ранних стадиях человеческой истории формируются особые пространственные сферы жизнедеятельности, значимые для человека. Функционально выделены из окружающей среды пространство непосредственного обитания (жилище и поселение), территория вокруг него, включающая особые зоны хозяйственных циклов. У племен, ведущих охотничье-собирательский образ жизни, эти зоны создаются в зависимости от циклов восстановления полезных растений и животных в той экосистеме, в которую включено племя. С возникновением древних земледельческих обществ особое значение приобретают зоны плодоносных земель. Например, для жителей Древнего Египта зона по берегам Нила была особым пространством, имевшим решающее значение для судеб этой цивилизации.

Освоенное человеком, "очеловеченное", и неосвоенное пространство природы с точки зрения природных свойств не различаются. Но в социальном плане их различие существенно. Оно определено отношениями человека к миру, исторически складывающимися особенностями воспроизводства способов человеческой деятельности и поведения.

Специфические черты и характеристики социального пространства отражаются, хотя и не всегда адекватно, в мировоззрении человека соответствующей исторической эпохи. Например, в древних мифах ясно прослеживается представление о качественном различии частей пространства, противопоставление упорядоченного пространства человеческого бытия остальному пространству, в котором действуют недобрые и непонятные человеку силы. В этих представлениях в фантастической форме отражалось реальное различие между "очеловеченным" пространством и пространством природы, остающимся вне сферы человеческой деятельности.

Так, в космологии древних египтян различаются, с одной стороны, пространство, заполненное водами Хаоса, а с другой - созданное богом Солнца упорядоченное пространство Земли. Началом его считался первобытный холмик суши, который бог Солнца создал в водах Хаоса и на котором он мог стоять. Все эти образы корнями уходили в общественную практику древнеегипетской цивилизации. Участки суши, пригодные для земледелия, были расположены по берегам Нила. Они каждый раз уходили под воду во время наводнения, а когда вода спадала, обнажались сначала в виде небольших холмиков, оплодотворенные речным илом. Такое ежегодное "рождение" оплодотворенных участков земли - основы жизни всей древней земледельческой цивилизации - воспринималось как своеобразное таинство мира, что нашло свое выражение в мировоззренческих образах пространства. Все, что было значимо и свято для древнего египтянина (места храмов, усыпальницы фараонов), ассоциировалось с пространством первичного холма суши и рассматривалось как особые места, единосущие этому первому холму.

В представлениях древнего египтянина освоенное им пространство по берегам Нила было центром Вселенной, а течение Нила с юга на север задавало главное направление в пространстве. Египетское слово "идти на север" означало то же, что "идти по течению". Когда египтянин встречал другую реку, например Евфрат, которая течет на юг, он говорил: "Это перевернутая вода, которая течет вниз по течению, двигаясь вверх по течению" [1].

1 См.: Франкфорт Г., Франкфорт Г. А., Уилсон Дж., Якобсон Т. В преддверии философии. М., 1984. С. 50.

Понятия и представления о пространстве, свойственные различным историческим эпохам, выражают различные исторически развивающиеся смыслы важнейшей мировоззренческой категории. В ней находят отражение прежде всего характеристики и свойства социального пространства, сквозь призму которых человек рассматривает остальное пространство мироздания.

Привычные нашему здравому смыслу представления о пространстве, где все точки и направления одинаковы (физика эти свойства определяет как однородность и изотропность пространства), возникли в качестве доминирующих мировоззренческих образов на относительно поздних этапах человеческой истории. Их становление в качестве мировоззренческих ориентиров в европейской культуре происходило в эпоху формирования ранних буржуазных отношений и было связано с ломкой мировоззренческих ориентаций, возникших в эпоху средневековья. Средневековому мышлению было свойственно рассматривать пространство как некоторую систему разнокачественных мест. Каждое из них наделялось определенным символическим значением. Различался земной греховный мир и мир небесный - мир "чистых сущностей". В земном мире выделялись святые места и особые направления (направления паломничества к святым местам, особые места в храмах, дающие исцеление и искупление грехов, и т.д.).

Основанием этих смыслов категории пространства выступала реальная система отношений людей и способов их деятельности, свойственная феодальному обществу европейского средневековья. Прикрепленный к земле крестьянин, всей своей жизнедеятельностью сращенный с определенным участком земли, воспринимавший тяжелый труд на ней как наказание и искупление грехов, подсознательно выделял место своей жизни как особенное. Но и его сюзерен, владелец земли, личностно переживал сопричастность к своему родовому имению, которое для него было не только источником доходов, но и символом его сословных привилегий, позволявшим включаться в социальные связи, принадлежать к определенной социально привилегированной корпорации.

Важно учитывать, что мировоззренческие категории, в том числе и категории пространства, не просто отражают общественное бытие, но и активно воздействуют на общественную жизнь. Они функционируют в качестве своеобразной матрицы, в соответствии с которой в определенные эпохи воспроизводится свойственный им образ жизни людей. Действуя в соответствии с этой матрицей, усвоив содержащееся в ней понимание пространства, человек своей реальной деятельностью воспроизводит определенные типы отношений социального пространства, включающие не только отношения предметов, но и их связи с человеком.

Чтобы понять особую природу социального пространства как объективно существующего, важно выработать представление о целостной системе общественной жизни. Эта система включает в качестве своих компонентов предметный мир, который человек создает и обновляет в своей деятельности, самого человека и его отношения к другим людям, состояния человеческого сознания, регулирующие его деятельность. Все это единое системное целое существует только благодаря взаимодействию составляющих его частей - мира вещей "второй природы", мира идей и мира человеческих отношений. Организация этого целого усложняется и меняется в процессе исторического развития. Оно имеет свою особую пространственную архитектонику, которая не сводится только к отношениям материальных вещей, а включает их отношение к человеку, его социальные связи и те смыслы, которые фиксируются в системе общественно значимых идей. Мир вещей "второй природы", окружающих человека, их пространственная организация обладает надприродными, социально значимыми характеристиками. Пространственные формы технических устройств, упорядоченное пространство полей, садов, орошаемых земель, искусственно созданных водоемов, архитектура городов - все это социальные пространственные структуры. Они не возникают сами по себе в природе, а формируются только благодаря деятельности людей и несут на себе печать социальных отношений, характерных для определенной исторической эпохи, выступая как культурно-значимые пространственные формы.

Например, в пространстве городской архитектуры выражены особенности производственной жизни и быта людей того или иного этапа истории общества, специфика их социальных связей (города античной эпохи непохожи в своей пространственной композиции ни на города средневековья, ни на современные), особенности этнических и национальных традиций (одна и та же эпоха дает множество образцов городской архитектуры разных народов: неповторимы Лондон или Париж; китайские и индийские города несут на себе печать национально уникальных черт). Историческое развитие меняет городскую пространственную среду, и новые пространственные формы как бы наслаиваются на прежние, видоизменяя их.

Дата добавления: 2014-11-29