Пространство — это трехмерный континуум, содержащий положения и направления . [1] В классической физике физическое пространство часто рассматривается в трех линейных измерениях . Современные физики обычно рассматривают его вместе со временем как часть безграничного четырехмерного континуума , известного как пространство-время . [2] Концепция пространства считается имеющей фундаментальное значение для понимания физической вселенной . Однако между философами продолжаются разногласия по поводу того, является ли оно само по себе сущностью, отношением между сущностями или частью концептуальной структуры .
В 19 и 20 веках математики начали изучать геометрии, которые являются неевклидовыми , в которых пространство рассматривается как искривленное , а не плоское , как в евклидовом пространстве . Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна , пространство вокруг гравитационных полей отклоняется от евклидова пространства. [3] Экспериментальные проверки общей теории относительности подтвердили, что неевклидовы геометрии предоставляют лучшую модель для формы пространства.
Споры о природе, сущности и способе существования пространства восходят к античности; а именно, к трактатам, таким как « Тимей» Платона , или Сократу в его размышлениях о том, что греки называли khôra (т. е. «пространство»), или к определению топоса (т. е. места) в «Физике» Аристотеля ( книга IV, Дельта) , или к более поздней «геометрической концепции места» как «пространства как протяженности» в « Рассуждении о месте» ( Qawl fi al-Makan ) арабского полимата XI века Альхазена . [4] Многие из этих классических философских вопросов обсуждались в эпоху Возрождения , а затем были переформулированы в XVII веке, особенно в период раннего развития классической механики .
Исаак Ньютон рассматривал пространство как абсолютное, существующее постоянно и независимо от того, была ли в нем какая-либо материя. [5] Напротив, другие натурфилософы , в частности Готфрид Лейбниц , считали, что пространство на самом деле является совокупностью отношений между объектами, заданных их расстоянием и направлением друг от друга. В 18 веке философ и теолог Джордж Беркли попытался опровергнуть «видимость пространственной глубины» в своем «Опыте к новой теории зрения» . Позже метафизик Иммануил Кант сказал, что понятия пространства и времени не являются эмпирическими, полученными из опыта внешнего мира — они являются элементами уже данной систематической структуры, которой люди обладают и используют для структурирования всех своих переживаний. Кант ссылался на опыт «пространства» в своей «Критике чистого разума» как на субъективную «чистую априорную форму интуиции».
Теории Галилея и Картезиана о пространстве, материи и движении лежат в основе научной революции , которая, как считается, достигла своей кульминации с публикацией Principia Mathematica Ньютона в 1687 году. [6] Теории Ньютона о пространстве и времени помогли ему объяснить движение объектов. Хотя его теория пространства считается наиболее влиятельной в физике, она возникла из идей его предшественников о том же. [7]
Будучи одним из пионеров современной науки , Галилей пересмотрел устоявшиеся идеи Аристотеля и Птолемея о геоцентрическом космосе. Он поддержал теорию Коперника о том, что Вселенная гелиоцентрична , с неподвижным Солнцем в центре и планетами, включая Землю, вращающимися вокруг Солнца. Если Земля движется, то аристотелевское убеждение в том, что ее естественная тенденция — оставаться в покое, подвергается сомнению. Галилей хотел вместо этого доказать, что Солнце движется вокруг своей оси, что движение так же естественно для объекта, как и состояние покоя. Другими словами, для Галилея небесные тела, включая Землю, были естественно склонны двигаться по кругу. Эта точка зрения вытеснила другую идею Аристотеля — что все объекты тяготеют к своему назначенному естественному месту принадлежности. [8]
Декарт намеревался заменить аристотелевское мировоззрение теорией о пространстве и движении, определяемых естественными законами . Другими словами, он искал метафизическую основу или механическое объяснение для своих теорий о материи и движении. Картезианское пространство было евклидовым по структуре — бесконечным, однородным и плоским. [9] Оно определялось как то, что содержало материю; наоборот, материя по определению имела пространственную протяженность, так что не было такой вещи, как пустое пространство. [6]
Картезианское понятие пространства тесно связано с его теориями о природе тела, разума и материи. Он известен своим "cogito ergo sum" (я мыслю, следовательно, я существую), или идеей, что мы можем быть уверены только в том факте, что мы можем сомневаться, и, следовательно, мыслить, и, следовательно, существовать. Его теории принадлежат к рационалистической традиции, которая приписывает знание о мире нашей способности мыслить, а не нашему опыту, как полагают эмпирики . [10] Он установил четкое различие между телом и разумом, которое называется картезианским дуализмом .
После Галилея и Декарта в XVII веке философия пространства и времени вращалась вокруг идей Готфрида Лейбница , немецкого философа-математика, и Исаака Ньютона , которые изложили две противоположные теории о том, что такое пространство. Лейбниц считал, что пространство — это не более чем совокупность пространственных отношений между объектами в мире, а не сущность, которая существует независимо над другой материей: «пространство — это то, что получается из мест, взятых вместе». [11] Незанятые области — это те, которые могут иметь объекты в себе и, таким образом, пространственные отношения с другими местами. Таким образом, для Лейбница пространство было идеализированной абстракцией от отношений между отдельными сущностями или их возможными местоположениями и, следовательно, не могло быть непрерывным , а должно быть дискретным . [12] Пространство можно было бы рассматривать аналогично отношениям между членами семьи. Хотя люди в семье связаны друг с другом, отношения не существуют независимо от людей. [13] Лейбниц утверждал, что пространство не может существовать независимо от объектов в мире, потому что это подразумевает разницу между двумя вселенными, совершенно одинаковыми, за исключением местоположения материального мира в каждой вселенной. Но поскольку не было бы наблюдательного способа отличить эти вселенные друг от друга, то, согласно тождеству неразличимых , между ними не было бы никакой реальной разницы. Согласно принципу достаточного основания , любая теория пространства, которая подразумевала бы, что могут быть эти две возможные вселенные, должна быть неверной. [14]
Ньютон считал, что пространство — это больше, чем отношения между материальными объектами, и основывал свою позицию на наблюдении и эксперименте. Для реляциониста не может быть никакой реальной разницы между инерционным движением , при котором объект движется с постоянной скоростью , и неинерционным движением , при котором скорость изменяется со временем, поскольку все пространственные измерения относятся к другим объектам и их движениям. Но Ньютон утверждал, что, поскольку неинерционное движение порождает силы , оно должно быть абсолютным. [15] Он использовал пример воды во вращающемся ведре, чтобы продемонстрировать свой аргумент. Вода в ведре подвешена на веревке и приведена во вращение, начинается с плоской поверхности. Через некоторое время, по мере того как ведро продолжает вращаться, поверхность воды становится вогнутой. Если вращение ведра остановить, то поверхность воды останется вогнутой, продолжая вращаться. Поэтому вогнутая поверхность, по-видимому, не является результатом относительного движения между ведром и водой. [16] Вместо этого, утверждал Ньютон, она должна быть результатом неинерционного движения относительно самого пространства. На протяжении нескольких столетий аргумент о ведре считался решающим в доказательстве того, что пространство должно существовать независимо от материи.
В восемнадцатом веке немецкий философ Иммануил Кант опубликовал свою теорию пространства как «свойства нашего ума», посредством которой «мы представляем себе объекты как находящиеся вне нас, и все как находящиеся в пространстве» в « Критике чистого разума» [17]. По его мнению, природа пространственных предикатов — это «отношения, которые только прикрепляются к форме интуиции и, таким образом, к субъективному строению нашего ума, без которого эти предикаты не могли бы быть приложены ни к чему вообще». [18] Это развивает его теорию знания , в которой знание о самом пространстве может быть как априорным , так и синтетическим . [19] Согласно Канту, знание о пространстве является синтетическим , потому что любое предложение о пространстве не может быть истинным только в силу значения терминов, содержащихся в предложении. В контрпримере предложение «все неженатые мужчины — холостяки» истинно в силу значения каждого термина. Кроме того, пространство является априорным , потому что оно является формой наших рецептивных способностей получать информацию о внешнем мире. Например, кто-то без зрения все равно может воспринимать пространственные атрибуты через осязание, слух и обоняние. Знание самого пространства является априорным, поскольку оно принадлежит субъективной конституции нашего ума как форма или способ нашей интуиции внешних объектов.
«Начала» Евклида содержали пять постулатов, которые составляют основу евклидовой геометрии. Один из них, постулат о параллельных линиях , был предметом споров среди математиков на протяжении многих столетий. Он гласит, что на любой плоскости , на которой есть прямая линия L1 и точка P , не лежащая на L1 , существует ровно одна прямая линия L2 на плоскости, которая проходит через точку P и параллельна прямой L1 . До 19 века мало кто сомневался в истинности постулата; вместо этого споры были сосредоточены на том, был ли он необходим как аксиома или же это была теория, которая могла быть выведена из других аксиом. [ 20] Однако около 1830 года венгр Янош Бойяи и россиянин Николай Иванович Лобачевский отдельно опубликовали трактаты о типе геометрии, который не включает постулат о параллельных линиях, называемом гиперболической геометрией . В этой геометрии бесконечное число параллельных линий проходит через точку P. Следовательно, сумма углов в треугольнике меньше 180°, а отношение длины окружности к ее диаметру больше пи . В 1850-х годах Бернхард Риман разработал эквивалентную теорию эллиптической геометрии , в которой ни одна из параллельных прямых не проходит через точку P. В этой геометрии треугольники имеют угол больше 180°, а окружности имеют отношение длины окружности к диаметру меньше пи .
Хотя в то время преобладал кантовский консенсус, как только неевклидовы геометрии были формализованы, некоторые начали задаваться вопросом, искривлено ли физическое пространство. Карл Фридрих Гаусс , немецкий математик, был первым, кто задумал провести эмпирическое исследование геометрической структуры пространства. Он задумал провести проверку суммы углов огромного звездного треугольника, и есть сообщения, что он действительно провел проверку в небольшом масштабе, триангулируя горные вершины в Германии. [21]
Анри Пуанкаре , французский математик и физик конца 19 века, представил важную идею, в которой он попытался продемонстрировать тщетность любой попытки экспериментально обнаружить, какая геометрия применима к пространству. [22] Он рассмотрел затруднительное положение, с которым столкнулись бы ученые, если бы они были ограничены поверхностью воображаемой большой сферы с определенными свойствами, известной как сферический мир . В этом мире температура принимается изменяющейся таким образом, что все объекты расширяются и сжимаются в одинаковых пропорциях в разных местах сферы. При подходящем падении температуры, если ученые попытаются использовать измерительные стержни для определения суммы углов в треугольнике, они могут быть обмануты, думая, что они обитают на плоскости, а не на сферической поверхности. [23] Фактически, ученые в принципе не могут определить, обитают ли они на плоскости или на сфере, и, как утверждал Пуанкаре, то же самое верно и для дебатов о том, является ли реальное пространство евклидовым или нет. Для него то, какая геометрия использовалась для описания пространства, было вопросом соглашения . [24] Поскольку евклидова геометрия проще неевклидовой, он предположил, что первая всегда будет использоваться для описания «истинной» геометрии мира. [25]
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности , которая привела к концепции, что пространство и время можно рассматривать как единую конструкцию, известную как пространство-время . В этой теории скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, что приводит к тому, что два события, которые кажутся одновременными одному конкретному наблюдателю, не будут одновременными для другого наблюдателя, если наблюдатели движутся относительно друг друга. Более того, наблюдатель будет измерять, что движущиеся часы идут медленнее, чем те, которые неподвижны относительно них; и объекты измеряются, чтобы сокращаться в направлении, в котором они движутся относительно наблюдателя.
Впоследствии Эйнштейн работал над общей теорией относительности , которая является теорией того, как гравитация взаимодействует с пространством-временем. Вместо того, чтобы рассматривать гравитацию как силовое поле, действующее в пространстве-времени, Эйнштейн предположил, что она изменяет геометрическую структуру самого пространства-времени. [26] Согласно общей теории, время идет медленнее в местах с более низким гравитационным потенциалом, а лучи света искривляются в присутствии гравитационного поля. Ученые изучили поведение двойных пульсаров , подтвердив предсказания теорий Эйнштейна, и для описания пространства-времени обычно используется неевклидова геометрия.
В современной математике пространства определяются как множества с некоторой добавленной структурой. Обычно это топологические пространства , в которых определяется концепция соседства , часто с помощью расстояния ( метрические пространства ). Элементы пространства часто называются точками , но они могут иметь и другие названия, такие как векторы в векторных пространствах и функции в функциональных пространствах .
Пространство является одной из немногих фундаментальных величин в физике , что означает, что его нельзя определить через другие величины, поскольку в настоящее время ничего более фундаментального не известно. С другой стороны, его можно связать с другими фундаментальными величинами. Таким образом, подобно другим фундаментальным величинам (таким как время и масса ), пространство можно исследовать посредством измерений и экспериментов.
Сегодня наше трехмерное пространство рассматривается как встроенное в четырехмерное пространство-время , называемое пространством Минковского (см. специальную теорию относительности ). Идея пространства-времени заключается в том, что время гиперболически-ортогонально каждому из трех пространственных измерений.
До работ Альберта Эйнштейна по релятивистской физике время и пространство рассматривались как независимые измерения. Открытия Эйнштейна показали, что из-за относительности движения наше пространство и время могут быть математически объединены в один объект – пространство-время . Оказывается, что расстояния в пространстве или во времени по отдельности не являются инвариантными относительно преобразований координат Лоренца, но расстояния в пространстве Минковского вдоль интервалов пространства-времени являются инвариантными, что оправдывает название.
Кроме того, измерения времени и пространства не следует рассматривать как абсолютно эквивалентные в пространстве Минковского. Можно свободно перемещаться в пространстве, но не во времени. Таким образом, координаты времени и пространства трактуются по-разному как в специальной теории относительности (где время иногда считается мнимой координатой), так и в общей теории относительности (где компонентам времени и пространства метрики пространства-времени присваиваются разные знаки ).
Кроме того, в общей теории относительности Эйнштейна постулируется, что пространство-время геометрически искажено – искривлено – вблизи гравитационно значимых масс. [27]
Одним из следствий этого постулата, вытекающего из уравнений общей теории относительности, является предсказание движущихся рябей пространства-времени, называемых гравитационными волнами . Хотя были обнаружены косвенные доказательства существования этих волн (например, в движениях двойной системы Халса–Тейлора ), эксперименты по прямому измерению этих волн продолжаются в коллаборациях LIGO и Virgo . Ученые LIGO сообщили о первом таком прямом наблюдении гравитационных волн 14 сентября 2015 года. [28] [29]
Теория относительности приводит к космологическому вопросу о том, какова форма Вселенной и откуда взялось пространство. Похоже, что пространство было создано в Большом взрыве 13,8 миллиардов лет назад [30] и с тех пор расширяется. Общая форма пространства неизвестна, но известно, что пространство расширяется очень быстро из-за космической инфляции .
Измерение физического пространства уже давно имеет важное значение. Хотя ранее общества разрабатывали системы измерения, Международная система единиц (СИ) в настоящее время является наиболее распространенной системой единиц, используемых для измерения пространства, и используется почти повсеместно.
В настоящее время стандартный пространственный интервал, называемый стандартным метром или просто метром, определяется как расстояние, пройденное светом в вакууме за промежуток времени, равный точно 1/299 792 458 секунды. Это определение в сочетании с нынешним определением секунды основано на специальной теории относительности, в которой скорость света играет роль фундаментальной константы природы.
География — это раздел науки, занимающийся определением и описанием мест на Земле , использующий пространственное восприятие для того, чтобы попытаться понять, почему вещи существуют в определенных местах. Картография — это картографирование пространств для улучшения навигации, визуализации и использования в качестве локационного устройства. Геостатистика применяет статистические концепции к собранным пространственным данным о Земле для создания оценки ненаблюдаемых явлений.
Географическое пространство часто рассматривается как земля и может иметь отношение к использованию права собственности (в котором пространство рассматривается как собственность или территория). В то время как некоторые культуры утверждают права личности с точки зрения собственности, другие культуры будут идентифицировать себя с общинным подходом к владению землей, в то время как другие культуры, такие как австралийские аборигены , вместо того, чтобы утверждать права собственности на землю, переворачивают отношения и считают, что они фактически принадлежат земле. Пространственное планирование является методом регулирования использования пространства на уровне земли, при этом решения принимаются на региональном, национальном и международном уровнях. Пространство также может влиять на человеческое и культурное поведение, являясь важным фактором в архитектуре, где оно будет влиять на проектирование зданий и сооружений, а также на сельское хозяйство.
Право собственности на пространство не ограничивается землей. Право собственности на воздушное пространство и воды решается на международном уровне. Другие формы собственности были недавно заявлены для других пространств, например, для радиодиапазонов электромагнитного спектра или для киберпространства .
Общественное пространство — это термин, используемый для обозначения территорий, находящихся в коллективной собственности сообщества и управляемых от его имени уполномоченными органами; такие пространства открыты для всех, в то время как частная собственность — это земля, которая в культурном отношении принадлежит отдельному лицу или компании и используется ими для собственного пользования и удовольствия.
Абстрактное пространство — термин, используемый в географии для обозначения гипотетического пространства, характеризующегося полной однородностью. При моделировании деятельности или поведения это концептуальный инструмент, используемый для ограничения внешних переменных, таких как рельеф.
Психологи впервые начали изучать восприятие пространства в середине 19 века. Те, кто сейчас занимается такими исследованиями, рассматривают это как отдельную ветвь психологии . Психологи, анализирующие восприятие пространства, интересуются тем, как воспринимается распознавание физического вида объекта или его взаимодействия, см., например, визуальное пространство .
Другие, более специализированные темы, изучаемые, включают амодальное восприятие и постоянство объектов . Восприятие окружения важно из-за его необходимой релевантности для выживания, особенно в отношении охоты и самосохранения , а также просто представления человека о личном пространстве .
Было выявлено несколько фобий , связанных с космосом , включая агорафобию (страх открытых пространств), астрофобию (страх небесного пространства) и клаустрофобию (страх замкнутых пространств).
Понимание трехмерного пространства у людей, как полагают, приобретается в младенчестве с помощью бессознательного вывода и тесно связано с координацией рук и глаз . Визуальная способность воспринимать мир в трех измерениях называется восприятием глубины .
Пространство изучалось в социальных науках с точки зрения марксизма , феминизма , постмодернизма , постколониализма , городской теории и критической географии . Эти теории объясняют влияние истории колониализма, трансатлантического рабства и глобализации на наше понимание и опыт пространства и места. Тема привлекла внимание с 1980-х годов, после публикации книги Анри Лефевра « Производство пространства». В этой книге Лефевр применяет марксистские идеи о производстве товаров и накоплении капитала для обсуждения пространства как общественного продукта. Его внимание сосредоточено на множественных и перекрывающихся социальных процессах, которые производят пространство. [31]
В своей книге «Состояние постмодерна» Дэвид Харви описывает то, что он называет « сжатием времени и пространства ». Это влияние технологических достижений и капитализма на наше восприятие времени, пространства и расстояния. [32] Изменения в способах производства и потребления капитала влияют на развитие транспорта и технологий и сами подвергаются влиянию. Эти достижения создают отношения во времени и пространстве, новые рынки и группы богатых элит в городских центрах, все это уничтожает расстояния и влияет на наше восприятие линейности и расстояния. [33]
В своей книге Thirdspace Эдвард Соджа описывает пространство и пространственность как неотъемлемый и игнорируемый аспект того, что он называет «триалектикой бытия», тремя модусами, которые определяют, как мы обитаем, переживаем и понимаем мир. Он утверждает, что критические теории в гуманитарных и социальных науках изучают исторические и социальные измерения нашего жизненного опыта, пренебрегая пространственным измерением. [34] Он опирается на работу Анри Лефевра, чтобы рассмотреть дуалистический способ, которым люди понимают пространство — как материальное/физическое или как представленное/воображаемое. «Живое пространство» Лефевра [35] и «третье пространство» Соджи — это термины, которые учитывают сложные способы, которыми люди понимают и перемещаются по месту, которые «первое пространство» и «второе пространство» (термины Соджи для материального и воображаемого пространства соответственно) не охватывают в полной мере.
Концепция Третьего пространства постколониального теоретика Хоми Бхабхи отличается от Третьего пространства Соджи, хотя оба термина предлагают способ мыслить вне терминов бинарной логики. Третье пространство Бхабхи — это пространство, в котором существуют гибридные культурные формы и идентичности. В его теориях термин гибрид описывает новые культурные формы, которые возникают в результате взаимодействия между колонизатором и колонизированным. [36]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Цитаты из Викицитатника
Тексты из Викиресурса
