В заключение отметим еще одно общее свойство пространства и времени. Этим свойством является их внутренняя противоречивость. Предыдущие два свойства являются примерами ее проявления. Бесконечность пространства и времени складывается соответственно из конечных длительностей отдельных материальных процессов.
Какие же свойства отличают пространство и время друг от друга? Частным свойством пространства является его трехмерность. Она выражается, во-первых, в том, что тело в пространстве сможет перемещаться в любом направлении: вверх, вниз, вправо, влево, вперед, назад. Во-вторых, все материальные тела обладают трехмерной пространственной формой - протяженностью в длину, ширину и глубину.
Математически трехмерность пространства выражается во взаимооднозначном соответствии между его точками и тройками чисел - их координатами в заданной произвольной системе координат.
Время, в отличие от пространства, одномерно. Это означает, что если задано начало отсчета во времени, то начало или конец какого-либо процесса, длина временного промежутка будут описаны одним числом. Кроме того, время обладает свойством необратимости. Во времени невозможно движение вспять. Оно течет всегда и всюду в одном и том же направлении: от прошлого к настоящему, от настоящего к будущему. Отсюда, заметим попутно, следует необратимость во времени причинно-следственных связей.
Из вышеуказанных свойств пространства и времени вытекает то, что пространство обладает свойствами симметрии, а время - ассимметрично. Симметричность пространства выражается в том, что объекты, расположенные в одной части пространства, могут являться зеркальным отражением материальных объектов в другой части пространства относительно определенной линии. Имеет место и симметрия пространства относительно оси вращения его около произвольной точки. Симметрия пространства проявляется в симметричной конфигурации различных материальных тел. Например, в форме кристаллов, строения бабочек и т. д.
В классической физике и специальной теории относительности господствующее значение имеют постулаты об однородности и изотропии пространства и однородности времени, вытекающие из их свойств. Однородность пространства состоит в равноправии всех его точек, а изотропия - в равноправии всех его направлений. Однородность времени предполагает равноправие всех моментов времени. Это значит, что в каждой точке пространства, в любом направлении и в любой момент времени законы физики действуют одинаково.
Изменение представлений о пространстве и времени, связанное с созданием неевклидовых геометрий, открытием специальной теории относительности, вызвало большой резонанс и в области философии. Ряд философов и физиков пришли к выводу: поскольку наши представления о пространстве и времени меняются, следовательно, они субъективны. Особенное место в отстаивании этого положения заняла разновидность «физического идеализма» - махизм. По Маху пространство и время представляют собой лишь упорядоченные системы рядов ощущений. Последователь Маха Пирсон утверждал, что пространство и время находятся не в вещах, а в нашем способе воспринимать вещи. Знаменитый математик Пуанкаре говорил, что изменчивость понятий пространства и времени является свидетельством навязывания их нами природе в целях удобства.
Между тем в действительности абстрактные понятия пространства и времени являются относительными, они могут изменяться, уточняться с разитием науки, однако отсюда не следует, что изменяются в зависимости от этого, приспосабливаясь к нашему опыту, объективные пространство и время.
Изменчивость представлений о пространстве и времени означает лишь, «что наш опыт» и наше познание все более приспосабливаются к объективному пространству и времени, Все правильнее и глубже их отражая. Обоснование объективности пространства и времени имеет актуальное значение для современной физики, встретившейся с их новыми свойствами в области микромира.
Открытие неевклидовых геометрий, наряду с доказательством материальности электромагнитного поля, создали предпосылки для коренного изменения представлений о пространстве и времени. С открытием поля, по словам Эйнштейна, стала возможной победа над ньютоновским абсолютным пространством, поскольку не стало отграниченных друг от друга предметов. Все оказалось заполненным материей и не стало пустоты.
Следующим важным моментом в развитии физики было установление в 1881 г. американским физиком Майкельсоном независимости скорости света относительно движущихся тел.
В физике возникло противоречие между законами классической физики и новыми открытиями. Разрешение этого противоречия было осуществлено А. Эйнштейном в 19О5 г. созданием специальной теории относительности. Принципиально новым в теории Эйнштейна является утверждение относительности и пространства и времени, рассматриваемых в отдельности. Существенно иным стало понимание смысла одновременности двух событий. С точки зрения специальной теории относительности (СТО), два события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, будут неодновременными в другой системе, движущейся относительно первой. Мы можем с уверенностью говорить об одновременности двух событий лишь в том случае, если они произошли в одном и том же месте. Утрата абсолютности одновременности означает, что не может быть единого времени в различных системах отсчета (всегда далее имеются в виду инерциальные системы). В каждой такой системе имеется «собственное» время.
Длина также стала относительной. В самом деле, что такое измерить длину какого-либо отрезка? Это значит одновременно зафиксировать его начало и конец. Однако поскольку понятие одновременности утратило свой абсолютный смысл, в различных системах отсчета длина отрезка будет различной. Причем установление, что длина отрезка будет сокращаться в направлении движения, а промежутки времени увеличиваться, т. е. течение времени должно замедляться.
Возникает вопрос: реальны ли подобные релятивистские эффекты? Теория утверждает их реальность. Причем дело не в том, что каждый отрезок в разных системах действительно короче другого. Просто наблюдатели в каждой системе отсчета при измерении найдут, что отрезок в другой системе короче отрезка в их системе. Так, каждому из двух одного роста людей, стоящих по разные стороны двояковогнутой линзы другой будет казаться меньше. Хотя это не значит, что каждый из них меньше другого. Реальной же причиной изменений будет взаимное относительное движение тел. Таким образом, о длине тела, в отличие от классической физики, можно говорить лишь в отношении его к той или иной системе отсчета. То же самое относится и к временным промежуткам.
Аналогией этому является то, что мы не можем говорить о скорости тела вообще, безотносительно к какой-либо системе, ибо не существует скорости тела самой по себе. Так же лишены смысла понятия «верх» и «низ», «право» и «лево», если не указано, относительно чего устанавливается ориентировка в пространстве.
Развитие представлений о пространстве и времени показало, что как таковые пространство и время раздельно не существуют. Они являются сторонами единой сущности - четырехмерного «пространства-времени». Окружающий мир - это мир событий, которые характеризуются место и временем.
СТО, показав относительность пространства и времени, ввела новый абсолют. Таким абсолютом является четырехмерное «пространство-время», где три координаты пространственные, а четвертая временная. В целом философское значение специальной теории относительности состоит в том, что открыла неразрывную связь, органическое единство пространства и времени. Выводы СТО в настоящее время находят свое подтверждение на практике.
Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени и их взаимосвязи с материей связано с возникновением общей теории относительности (ОТО).
Одним из основных постулатов ОТО являются гравитационные уравнения Эйнштейна, в которых правая часть есть физическая величина, выражающая материю - энергию - импульс. А левая часть выражает геометрические свойства 4-х мерного пространства-времени. Таким образом, уравнения Эйнштейна описывают одновременно и гравитационное поле, и геометрию пространства-времени.
Установление зависимости гравитационного поля, а через него о пространства-времени от распределения в нем материальных масс является важнейшим фактором не только в физическом, но и в общефилософском плане. В этом смысле уравнения Эйнштейна следует рассматривать как математическое выражение диалектического принципа, утверждавшего, что пространство и время как формы существования материи должны быть неразрывно связаны с материей и ее свойствами. Это значит, что ОТО в решении проблемы пространства и времени коренным образом отличается от классической физики.
Таким образом, общая теория относительности является новым и более глубоким, чем специальная теория относительности, подтверждением диалектико-материалистического учения о неразрывной взаимосвязи пространства и времени с движущейся материей.
Своеобразно в ОТО и проявление релятивистских эффектов. Согласно ей сокращение длин и замедление времени наблюдаются даже в рамках одной и той же системы отсчета, при переходе от одних точек системы к другим. Например, во всех точках, расположенных ближе к центру материальных масс, гравитационное поле будет интенсивнее и, следовательно, время будет течь медленнее, а длины отрезков короче, чем в точках, более удаленных от центра гравитации.