Абсолютное пространство и абсолютное время в ньютоновской физике.

Зарождение современной науки уходит своими корнями вглубь древнего мира. Наука, как свод фундаментальных законов, впервые появилась, вероятно, в древней Греции. Слово "Физика" обязано своим происхождением Аристотелю - первому физику, древнегреческому философу, который оставил нам свои сочинения, посвященные живой и неживой природе (правда, в к нам его сочинение дошло под названием "Метафизика", чем мы обязаны одному из его последователей который "слегка" отретушировал текст учителя). В книге озаглавленной "Метафизика" Аристотель, в частности, касается понятия пространства, времени и движения. При обсуждении вопросов меры Аристотель в качестве меры движения берет движение неба - единственного, непрерывного, однообразного и вечного. Хотя понятия пространства, времени и движения в современном смысле этого слова у Аристотеля не было, тем не менее понятие ориентирования на местности и во времени древним было не так уж и чуждо. Скажем период лунного месяца и солнечного года в днях вавилонские жрецы знали с точностью до пятого знака после запятой. Этого требовали сложные религиозные церемонии, служителями которых являлись жрецы.

Новая физика началась с Декарта, который ввел понятие системы координат, Галилея, который открыл законы прямолинейного и равномерного движения, и, конечно, И.Ньютона, создавшего современную ньютонову механику. Ньютон открыл законы динамики, т.е. нашел и сформулировал правила, по которым зная положение и скорость тела в один из моментов времени и зная сумму сил действующих на тело можно найти положение тела и скорость его движения в любой последущий момент времени. Созданный им подход к решению физических проблем послужил основой всех теоретических исследований в физике предыдущих трех столетий. Один успех за другим на пути познания природы позволил Лапласу гордо заявить "дайте мне начальные условия ( и $\dot q$ в формулировке классической теоретической механики) для всех частиц и я предскажу будущее мира". Только в нашем веке, после открытия квантовой механики, открытия вероятностной картины мира стало понятно, что в природе принципиально присутствует элемент непредсказуемости.

Понятие пространства - времени в ньютоновской физике тесно связано с чувственным восприятием и того и другого. В ньютоновской физике интерпретация пространственных координат некоторого тела предполагала наличие жесткого тела отсчета, которое обычно и задает систему отсчета. Основным свойством этого тела было то, что оно не испытывает никаких изменений. Кроме этого тела, необходимо было также полагать, что оно находиться в состоянии определенного движения, т.е. задает инерциальную систему отсчета. Для определения времени между двумя событиями необходимо иметь детерминированный периодически повторяемый процесс (который в быту называют часами). Часы прикрепленные к выбранному телу отсчета задают локальное время относительно этой системы отсчета.

Наличие нескольких тел необходимо для формирования ощущения пространства. Если они не находятся в контакте, то их можно свести друг с другом, что является основой нашего понятия о пространстве. В геометрии Евклида пространство играло качественную роль, потому что хотя положение точки (абстрактного понятия тела) считалось заданным оно не описывалось числом. Декарт ввел понятие расстояния между точками, вычисляемого в трехмерной системе координат. Если одна точка имеет координаты , а вторая координаты , , , то расстояние между ними находится по теореме Пифагора обобщенной на трехмерное пространство:

$\begin{displaymath} l^2=(x_1-x_2)^2 +(y_1-y_2)^2 +(z_1-z_2)^2. \end{displaymath}$

При этом считается, что точки не движутся относительно друг друга или, что их координаты берутся в один и тот же момент времени.

Обратим внимание, что понятие координат некоторого тела формулируется относительно выбранной системы координат и, следовательно, тела отсчета, задающего эту систему координат, тогда как расстояние между точками не зависит от выбора этой системы. Изучать движение пробных тел можно только в выбранной системе координат, т.е. относительно тел задающих систему отсчета. Но относительно произвольной системы отсчета даже простое движение может иметь сложный вид. Например, на вращающейся карусели движение катящегося шарика будет отличаться от движения того же шарика на покоющейся карусели. В теоретической механике это свойство формулируется как отсутствие однородности и изотропии пространства в данной системе отсчета. Естественно, что возникает потребность выбрать такую систему отсчета в которой уравнения механики и решения этих уравнений будут иметь самый простой вид. Оказывается, что в ньютоновой механике всегда можно найти такую систему отсчета в которой пространство является однородным и изотропным, а время - однородным. Это инерциальная система отсчета.

Более того, существует бесконечно много инерциальных систем отсчета. Они отличаются друг от друга тем, что могут двигаться относительно друг друга с постоянной скоростью. Во всех таких системах пространство будет однородно и изотропно, а время - однородно. Законы механики в таких системах отсчета будут одинаковы - так был сформулирован принцип относительности Галилея, который является одним из основных принципов механики.

Заметим сразу, что этот принцип выделяет в качестве исключительных какую - либо инерциальную систему отсчета и системы равномерно двигающиеся относительно выбранной инерциальной системы отсчета. Преобразования координат от одной системы к другой производится преобразованием Галилея, причем считается, что темп изменения времени в обеих системах координат одинаков.

Основной постулат ньютоновой механики заключается в том, что возможно определение единого времени для всего пространства, а значит и определение расстояний и движения тел относительно системы координат. А.Эйнштейн в статье "Механика Ньютона и ее влияние на формирование теоретической физики" писал: " Основные принципы Ньютона были с логической точки зрения столь удовлетворительными, что импульс к их обновлению мог возникнуть только под влиянием опыта." и еще... "Хотя всюду заметно стремление Ньютона представить свою систему как необходимо вытекающую из опыта и вводить как можно меньше понятий, не связанных непосредственно с опытом, он тем не менее вводит понятие абсолютного пространства и абсолютного времени".... "Именно в этом пункте Ньютон особенно последователен.".... "Ньютон понимал, что его законы могут иметь смысл только если пространство обладает физической реальностью в той же мере, как материальные точки и расстояния между ними."

После создания Максвеллом теории электромагнетизма, после того, как возникла новая физическая концепция поля, в котором взаимодействие передается с конечной скоростью (скоростью света) возникли побудительные причины диктуемые опытом для изменения основных взглядов на пространство и время.