Пространство и время традиционно рассматривались в науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений.

Характеристиками пространства считались однородность – одинаковость свойств во всех направлениях, и изотропность – независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс, в принципе, повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одномерное и идущее в одном направлении – от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется, и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.

В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

Из специальной теории относительности следует, что расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих в нем процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него.

Итак, пространство и время – общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.

Найденное А. Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна.

Единая теория поля – это единая теория материи, призванная свести все многообразие свойств элементарных частиц и их взаимодействий к небольшому числу уникальных принципов. Такая теория еще не построена и рассматривается скорее как стратегия развития физики микромира.

Первым примером объединения различных физических явлений (электромагнитных, световых) принято считать уравнения Максвелла.

В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инер-циальными. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе на неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.

Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов». Представление о поле победило механицизм. Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент, только что протекший» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд). Это существенно новый момент полевой картины мира.

Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве, и аналогичным образом действует гравитационное поле.

Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

Таким образом, А. Эйнштейн пытался объединить электромагнитные и гравитационные явления на основе общей теории относительности, связывающей гравитационные взаимодействия материи с геометрическими свойствами пространства-времени.

В начале 1970-х гг. была построена объединенная теория слабого и электромагнитного взаимодействий. После этого выдвинули ряд предположений, что при относительно больших энергиях взаимодействующих частиц или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) характеризуются одинаковой силой (Великое объединение).

Таким образом, единая теория поля остается пока мечтой. Однако неразрывная связь между всеми частицами и их взаимопревращаемость заставляют с неослабевающей настойчивостью искать пути подхода к единой теории электромагнитного поля, призванной объяснить все многообразие форм материи.

Корпускула – это частица в классической физике. В качестве корпускулы будем рассматривать молекулу – наименьшую частицу вещества, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2) до сотен и тысяч (некоторые витамины, белки). Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), то ее называют макромолекулой.

В физике представление о молекуле возникло в XVIII в. и получило широкое признание в XIX в. в связи с развитием термодинамики и теории газов и жидкостей. Во второй половине XIX в. с помощью различных химических методов были получены многие важные сведения о строении молекул.

Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве. Наиболее общие характеристики молекул – молекулярная масса, состав и структурная формула, указывающая последовательность химических связей. Прочность межатомной связи характеризуется энергией химической связи, которая составляет обычно несколько десятков кДж/моль. Атомы в молекуле непрерывно совершают колебательные движения. Молекулы, как и атомы, не имеют четких границ. Размеры молекулы можно ориентировочно оценить, зная плотность вещества, молекулярную массу и число Авогадро. Так, если допустить, что молекула Н^О имеет сферическую форму, то диаметр ее окажется равным примерно 3 х 10-8см. Размеры молекулы растут с увеличением числа атомов в них и лежат в пределах 10-8– 10-5см. Молекулу нельзя увидеть невооруженным глазом или с помощью оптического микроскопа, однако существование молекул доказывают многочисленные явления.

Устойчивость молекул в среде зависит от ее взаимодействия с другими атомами, а также от температуры, давления и других внешних факторов. В газообразном состоянии вещество, как правило, состоит из молекул. При достаточно высоких температурах молекулы всех газов распадаются на атомы. Вода во всех агрегатных состояниях состоит из молекул; из молекул построены большинство жидкостей и молекулярные кристаллы. В металлах и других атомных кристаллах, а также их расплавах молекулы, как правило, не существуют, так как в них каждый атом взаимодействует со всеми соседними приблизительно одинаково.

Можно рассматривать в качестве корпускулы и атом – часть вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому химическому элементу соответствует определенный род атомов, обозначаемый химическим символом. Атомы существуют в свободных (в газе) и связанных состояниях. Связываясь друг с другом непосредственно или в составе молекул, атомы образуют жидкие и твердые тела. Все физические и химические свойства атома определяются особенностями его строения.