Представления о пространстве и времени формировались и изменялись по мере накопления научных знаний. Пифагор говорит: «Вселенная втягивает из Беспредельного время, дыхание и пустоту», но пифагорейцы осознают факт трёхмерности пространства. Демокрит утверждал, что в мире нет ничего, кроме атомов и пустоты («чистого» пространства). Через 100 лет Аристотель считает — « Природа боится пустоты» и заполняет всё пространство космоса некоей всепроникающей невесомой средой – Эфиром. Римский поэт Лукреций Кар вводит термин «vacuum» – в переводе – вакуум- пустота. В работе греческого математика Евклида «Начала» излагаются основные свойства пространства и пространственных фигур трёх измерений. По теории французского учёного Рене Декарта – Картезиуза (1596 – 1650 г.г.) картина мира состоит из двух компонентов: протяжение и движение, которые являются свойствами материи. «Дайте мне протяжённость и движение, и я построю Вселенную» –таков основной тезис Декарта. Объективный мир– это материализованное пространство или воплощённая геометрия. Он вводит трёхмерную систему координат XYZ. Декарт отрицает атомизм и пустое пространство, ибо не может существовать нематериальная протяжённость. Декарт вводит понятие импульса тела – скаляр p = m V.
Галилео Галилей (1564 – 1642г.г.) сформулировал два основных принципа механики — принцип инерции и принцип относительности. Принцип инерции выведен Галилеем из признания пустоты, в которой различные тела падают с равными скоростями, а действие силы связано с понятием ускорения. Принцип относительности Галилея: «Никакими механическими опытами, производимыми внутри инерциальной системы отсчёта, нельзя определить, движется ли система прямолинейно равномерно или находится в покое». Скорость тела зависит от выбора координатной системы, а ускорение и сила одинаковы для данного тела и не зависят от выбора координатной системы или инвариантны к преобразованиям координат Галилея. Инвариантами являются также масса тела и время. «Во всех инерциальных системах отсчёта все физические явления происходят одинаково» (принцип относительности Галилея).
Исаак Ньютон (1643 – 1727г.г.) в трактате «Математические начала натуральной философии» продолжает работы Галилея по формированию теории пространства и времени и связи этих понятий с материей. Научная картина мира по Ньютону опирается на три компонента: материя, движение, пространство. Материя – это бесконечное число отдельных и изолированных друг от друга, твёрдых и неизменных (но не идентичных) частиц. Движение – это перемещение данных частиц в разных направлениях в бесконечном пространстве. Пространство – это бесконечная и однородная пустота. Абсолютное время протекает безотносительно к чему–либо равномерно и обратимо.
Для описания механического движения материальных тел при небольших скоростях движения применяют законы Ньютона:
Первый закон Ньютона: Тела находятся в покое или движутся прямолинейно и равномерно, пока воздействие со стороны других тел не заставит их изменить это состояние 
Второй закон Ньютона: Сила, действующая на тело, пропорциональна скорости изменения импульса тела:
,
где 
- импульс тела, ;
; 
— время, с; 
- сила, Н.
Третий закон Ньютона: Тела действуют друг на друга с силами равными по мо
дулю и противоположными по знаку:
и 
.
К ХVIII веку сложились определённые представления о свойствах пространства и времени и их связи с материей, которые являются сутью классической физики, и механистическая картина мира.
Пространство трёхмерно, однородно и изотропно.
Время самостоятельно по отношению к пространству, однородно, обратимо.
Механистическая картина мира:
1) Все состояния тела при механическом движении по отношению ко времени одинаковы, так как время обратимо.
2) Все механические процессы являются детерминированными, то есть точно и однозначно определяются предыдущим состоянием системы. Случайность состояний или событий полностью исключена.
3. Пространство и время не зависимы друг от друга, имеют абсолютный характер и не связаны с движением тел.
Физика конца XIХ — начала ХХ века дала новые понятия в области электромагнитных явлений, термодинамики и строения вещества. Отрицательный результат опытов Майкельсона – Морли со светом, в котором не подтвердилось существование эфира, открытие в 1897 году У.Томсоном электрона подвигнуло Х. Лоренца к созданию теории, в которой уравнения Максвелла включают в себя идею о дискретной структуре электричества. Но при этом Лоренц ввёл абсолютно неподвижную систему отсчёта, связанную с неподвижным эфиром. Это противоречит принципу относительности Галилея о равноправности всех инерциальных систем отсчёта. В 1905 году А.Эйнштейн (1879 – 1955 г.г.) в работе «К электродинамике движущихся сред» формулирует два предположения, которые в современной науке называются постулатами специальной теории относительности (СТО):
1) Никакими механическими, тепловыми, электромагнитными, световыми и другими опытами, произведёнными внутри инерциальной системы отсчёта, нельзя определить, движется ли система прямолинейно равномерно или находится в покое.
2) Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит от движения источников и приёмников света.
Специальная теория относительности опирается на преобразования координат Лоренца, которые содержат немыслимые, с точки зрения обыденных представлений, парадоксы или следствия специальной теории относительности:
1) Скорость света недостижима, то есть нельзя разогнать тело до скорости света (координата и время становятся равными бесконечности).
2) События, одновременные в одной системе отсчёта, не одновременны относительно другой инерциальной системы отсчёта.
3) Линейные размеры тел не одинаковы в неподвижной и движущейся системах отсчёта. Движущееся тело имеет меньшие размеры, чем неподвижное (лоренцево сокращение размеров тел). Размеры тел в собственной системе отсчёта называются собственными и остаются одинаковыми во всех инерциальных системах отсчёта. Длина тел – это не свойство тел самих по себе, длина выражает отношение тел к системе отсчёта и имеет смысл только в той или иной системе.
4) Длительность событий различна в разных системах отсчёта: Длительность события наименьшая в той системе отсчёта, относительно которой событие неподвижно. Часы, движущиеся идут медленнее неподвижных. Время, отсчитанное по часам, движущимся вместе с телом, называется собственным временем жизни τ. Собственное время всегда меньше, чем время, отсчитанное по часам, движущимся относительно тела. Время не есть свойство событий самих по себе, оно выражает отношение к сис
теме отсчёта и только в данной системе имеет смысл. Время перестало быть инвариантом.
Этому есть экспериментальное подтверждение: в составе космических лучей, долетающих до Земли, есть нестабильные частицы – мезоны, среднее время жизни которых по часам, движущимся вместе с ними, то есть относительно земного наблюдателя, равно 2,2 -6 с. За это время мезоны, летящие со скоростью света, прошли бы путь 3*10 8м/с * 2,2 – 6 с =660м. Источник же мезонов находится на высоте около 30 км в верхних слоях атмосферы Земли и частицы смогли долететь только потому, что проявился релятивистский эффект замедления хода времени.
С этим же эффектом связан «парадокс близнецов»: космонавт, улетевший в фантастический полёт к другой планете со скоростью, близкой к скорости света, например, Vo= 0.8C, возвратится на Землю более молодым, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. Неправильность рассуждения здесь состоит в том, что системы отсчёта, связанные с близнецами, не эквивалентны: земная система инерциальна, а корабельная – неинерциальна, так как ускоряется при взлёте и замедляется при спуске и к ней принцип относительности Эйнштейна не применим.
5) Масса частиц зависит от скорости их движения, она возрастает при увеличении скорости. Масса перестала быть инвариантом. Масса покоя частицы, то есть масса, измеренная в той инерциальной системе отсчёта, относительно которой частица покоится, остаётся неизменной, то есть инвариантом.
6) Полная энергия системы тел равна произведению массы системы на квадрат скорости света в вакууме: Е = mс 2. Покоящееся тела также обладает энергией, которая называется энергией покоя: Ео = mос 2. Закон пропорциональности массы и энергии блестяще подтверждён экспериментами о выделении энергии при протекании ядерных реакций и широко используется в физике элементарных частиц.
Преобразования Лоренца и законы релятивистской механики в предельном случае для малых скоростей ( много меньших скорости света ) переходят в преобразования Галилея и законы классической механики. В физике действует принцип: всякая новая более общая теория не отвергает классические теории, а включает их в себя, указывая границы применения ( принцип соответствия Нильса Бора : «Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в этой области», 1913г.).
Специальная теория относительности показала единство пространства и времени, их связь и зависимость друг от друга и от скорости движения. Поэтому немецкий учёный Герман Минковский (1864 – 1909 г.г.) формулирует представление о четырёхмерном мире — пространственно-временном континууме: пространство и время органически связаны и образуют единую форму существования материи. Пространство и время не существуют вне материи и не зависимо от неё.
В специальной теории относительности не рассматриваются гравитационные поля, которые не являются инерциальными. Общая теория относительности (ОТО) показала, что свойства пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. Эйнштейн заменяет закон Ньютона о всемирном тяготении новым уравнением, записанным в тензорной форме, из которого получает 10 дифференциальных уравнений. ОТО удовлетворяет принципу соответствия. Массы, создающие поле тяготения, по ОТО искривляют пространство и меняют течение времени. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестаёт быть евклидовой, то есть плоской и не зависящей от размеров области пространства-времени, и изменяется от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее те
чёт время по сравнению с течением времени вне поля. Прямолинейное равномерное движение – это движение по инерции в евклидовом пространстве. Движение в поле тяготения – это движение по инерции в неевклидовом пространстве, то есть в искривлённом пространстве, где вместо прямых линий существуют прямейшие, или геодезические, мировые линии. Примером такой линии может служить линия на поверхности земного шара — дуга. Лобачевский и Гаусс высказывали предположение, что геометрия реального мира в больших масштабах может быть неевклидовой.
Существует версия о трёх возможных геометриях мирового пространства.
1) Геометрия Евклида ( около 300 лет до н.э.): кривизна пространства равна нулю: точка, две точки — линия, три точки — треугольник, четыре точки- объёмная фигура. Сумма углов треугольника равна 1800.
2) Геометрия Бернхарда Римана ( 1826-1866г.г. ) — геометрия выпуклого пространства: «прямая» — дуга с положительной кривизной, выпуклый треугольник – сумма углов его больше1800, поверхность – сфера.
3) Геометрия Николая Ивановича Лобачевского ( 1792- 1856 г.г.) – геометрия вогнутого пространства: «прямая» –дуга с отрицательной кривизной, вогнутый треугольник – сумма углов меньше 1800, псевдосфера – «лошадиное седло».
Гравитация – это отступление пространственно-временного континуума от евклидовости. Тогда физически неразличимы ускорение, вызванное полем тяготения , и ускорение силой, внешней по отношению к телу. Не существует способа отличить причину появления веса в космическом корабле, движущемся свободно в космическом пространстве. Появление ускорения может быть объяснено включением двигателей, то есть силой тяги, или действием гравитационного поля планеты, к которой приблизился корабль. Силы инерции эквивалентны силам гравитации (принцип эквивалентности ). ОТО распространяет выводы СТО на неинерциальные системы отсчёта:
Законы природы одинаковы в любых системах отсчёта.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1) В чём отличие принципа относительности Эйнштейна от принципа относительности Галилея?
2) Каковы инварианты классической физики и специальной теории относительности?
3) Как гравитация изменяет свойства пространства?
4) Каков смысл принципа эквивалентности сил инерции и сил гравитации?
5) Каков смысл принципа соответствия Нильса Бора?