بررسي و شناخت پديده هاي فيزيکي و روابط بين آنها بدون توجه به مفاهيم و درک شهودي از فضا و زمان جندان مانوس به نظر نمي رسد. مفهوم و درک فضا و زمان نيز مانند ساير کميت هاي فيزيکي روندي پويا دارد و در طول تاريخ دستخوش تغييرات زايدي شده است. بويژه بعد از نسبيت مفاهيم فضا و زمان و درک بشر از آنها دچار تغيير زيادي شده است. البته در اينجا نمي خواهيم مسئله ي فضا-زمان را مورد بررسي قرار دهيم، تنها هدفمان از ارائه ي اين فصل اين است که زمينه ي آشنايي با نگرش فلسفي و علمي نسبت به فضا و زمان فراهم گردد تا بعد ازبيان نسبيت فضا-زمان مورد بررسي قرار گيرد. همجنين اين مطالب قبل از قوانين نيوتن آورده شده است تا زمينه ي مطرح شدن ديدگاه منطقي نيوتن نسبت به فضا و زمان مطلق فراهم گردد
فضا چيست؟
(Space) واژه‌اي است كه در زمينه‌هاي متعدد و رشته‌هاي گوناگون از قبيل فلسفه، جامعه‌شناسي، معماري و شهرسازي بطور وسيع استفاده مي‌شود. ليكن تكثّر كاربرد واژه فضا به معني برداشت يكسان از اين مفهوم در تمام زمينه‌هاي فوق نيست، بلكه تعريف فضا از ديدگاه‌هاي مختلف قابل بررسي است. مطالعات نشان مي‌دهد با وجود درك مشتركي كه به نظر مي‌رسد از اين واژه وجود دارد، تقريباً توافق مطلقي در مورد تعريف فضا در مباحث علمي به چشم نمي‌خورد و اين واژه از تعدد معنايي نسبتاً بالايي برخوردار است و تعريف مشخص و جامعي وجود ندارد كه دربرگيرنده تمامي جنبه‌هاي اين مفهوم باشد. از اين رو در اين يادداشت به ذکر برخي کليات در مورد مفهوم فضا بسنده مي کنيم فضا يك مقوله بسيار عام است.
فضا تمام جهان هستي را پر مي‌كند و ما را در تمام طول زندگي احاطه كرده است. فضا به محيط زيست اطراف ما احساس راحتي و امنيت مي‌بخشد كه اهميت آن در يك زندگي لذت بخش از نور آفتاب و محلي براي آرامش كمتر نيست هركاري كه انسان انجام مي‌دهد، داراي يك جنبه فضايي نيز است، به عبارتي هر عملي كه انجام مي‌شود، احتياج به فضا دارد. دلبستگي بشر به فضا از ريشه‌هاي عميقي برخوردار است. اين دلبستگي از نياز انسان به ايجاد ارتباط با ساير انسانها كه از طريق زبانهاي گوناگون صورت مي‌پذيرد، سرچشمه مي‌گيرد. همچنين بشر خود را با استفاده از فيزيولوژي و تكنولوژي، با اشياء فيزيكي وفق مي‌دهد و از اين طريق يك رابطه و تعادل پويا بين انسان و محيط (اشياء)، علاوه بر ارتباط ميان انسانها، بوجود مي‌آيد. اين اشياء بر اساس يك سري روابط خاص به دروني و بيروني، دور و نزديك، منفرد و متحد، پيوسته و گسسته تقسيم شده‌اند. براي اينكه بشر بتواند به تصورات و ذهنيات خود عينيت بخشد، بايستي كه اين روابط را درك كند و آنها را در قالب يك مفهوم فضايي هماهنگ نمايد. لذا فضا بيانگر نوع ويژه‌‌اي از ايجاد ارتباط نيست، بلكه صورتي است جامع و دربرگيرنده هر نوع ايجاد ارتباط، چه ميان انسانها و چه ميان انسان و محيط.
فضا ماهيتي جيوه مانند دارد كه چون نهري سيال، تسخير و تعريف آن را مشكل مي‌نمايد. اگر قفس آن به اندازه كافي محكم نباشد، براحتي به بيرون رسوخ مي‌كند و ناپديد مي‌شود. فضا مي‌تواند چنان نازك و وسيع به نظر آيد كه احساس وجود بعد از بين برود (براي مثال در دشتهاي وسيع، فضا كاملاً بدون بعد به نظر مي‌رسد) و يا چنان مملو از وجود سه بعدي باشد كه به هر چيزي در حيطه خود مفهومي خاص بخشد.
با اينکه تعريف دقيق و مشخص فضا دشوار و حتي ناممکن است، ولي فضا قابل اندازه‌گيري است. مثلاً مي‌گوييم هنوز فضاي كافي موجود است يا اين فضا پر است. نزديكترين تعريف اين است كه فضا را خلائي در نظر بگيريم كه مي‌تواند شيء را در خود جاي دهد و يا از چيزي آكنده شود.
نكته ديگري كه در مورد تعريف فضا بايد خاطرنشان كرد، اين است كه همواره بر اساس يك نسبت كه چيزي از پيش تعيين شده و ثابت نيست، ارتباطي ميان ناظر و فضا وجود دارد. بطوري‌كه موقعيت مكاني شخص، فضا را تعريف مي‌كند و فضا بنا به نقطه ديد وي به صورت‌هاي مختلف قابل ادراك مي‌باشد
سير تحول تاريخي مفهوم فضا:
فضا مفهومي است که از ديرباز توسط بسياري از انديشمندان مورد توجه قرار گرفته و در دوره هاي مختلف تاريخي بر اساس رويکردهاي اجتماعي و فرهنگي رايج، به شيوههاي گوناگون تعريف شده است .مصري‌ها و هندي‌ها با اينکه نظرات متفاوتي در مورد فضا داشتند اما در اين اعتقاد اشتراك داشتند كه هيچ مرز مشخصي بين فضاي دروني تصور (واقعيت ذهني) با فضاي بروني (واقعيت عيني) وجود ندارد. در واقع فضاي دروني و ذهني روياها، اساطير و افسانه‌ها با دنياي واقعي روزمره تركيب شده بود. آنچه بيش از هر چيز در فضاي اساطيري توجه را به خود معطوف مي‌كند، جنبه ساختي و نظام يافته فضاست، ولي اين فضاي نظام يافته مربوط به نوعي صورت اساطيري است كه برخاسته از تخيل آفريننده مي‌باشد در زبان يونانيان باستان، واژه‌اي براي فضا وجود نداشت. آنها بجاي فضا از لفظ مابين استفاده ي‌كردند. فيلسوفان يونان فضا را شيء بازتاب مي‌خواندند.
پارميندز (Parmenides) وقتي كه دريافت، فضاي به اين صورت را نمي‌توان تصور كرد، آن را بدين دليل كه وجود خارجي ندارد، به عنوان حالتي ناپايدار معرفي كرد. لوسيپوس (Leucippos) نيز فضا را اگرچه از نظر جسماني وجود خارجي ندارد، ليكن حقيقي تلقي نمود افلاطون مسئله را بيشتر از ديدگاه تيمائوس (Timaeus) بررسي كرد و از هندسه به عنوان علم الفضاء برداشت نمود، ولي آن را به ارسطو واگذاشت تا تئوري فضا (توپوز) را كامل كند.
از نظر ارسطو فضا مجموعه‌اي از مكان‌هاست. او فضا را به عنوان ظرف تمام اشياء توصيف مي‌نمايد. ارسطو فضا را با ظرف قياس مي‌كند و آن را جايي خالي مي‌داند كه بايستي پيرامون آن بسته باشد تا بتواند وجود داشته باشد و در نتيجه براي آن نهايتي وجود دارد. در حقيقت براي ارسطو فضا محتواي يك ظرف بود.
لوكريتوس (Lucretius) نيز با اتكاء به نظريات ارسطو، از فضا با عنوان خلاء ياد نمود. او مي‌گويد: همه كائنات بر دو چيز مبتني است: اجرام و خلاء، كه اين اجرام در خلاء مكاني مخصوص به خود را دارا بوده و در آن در حركت‌اند.
بعدها تئوري هاي مربوط به فضا بر اساس هندسه اقليدسي بيان مي‌شد، بطوري‌كه مشخصه تفكر يونانيان در مورد فضا در تفكرات اقليدس يا هندسه اقليدسي قابل مشاهده است. اقليدس با جمع آوري كليه قضاياي مربوط به هندسه در ميان مصري‌ها، بابلي‌ها و هندوها علم جديد هندسه را پايه‌گذاري نمود كه سيستمي مبتني بر انتزاع ذهني بود. فضاي اقليدسي فضايي يكسان، همگن و پيوسته بود كه در آن هيچ چاله، برآمدگي يا انحنايي وجود نداشت. فضاي اقليدسي، فضايي قابل اندازه‌گيري بود با توجه به آنچه گفته شد، در يونان و بطور كلي در عهد باستان دو نوع تعريف براي فضا مبتني بر دو گرايش فكري قابل بررسي است:
تعريف افلاطوني كه فضا را همانند يك هستي ثابت و از بين نرفتني مي‌بيند كه هرچه بوجود آيد، داخل اين فضا جاي دارد تعريف ارسطويي كه فضا را به عنوان Topos يا مكان بيان مي‌كند و آن را جزئي از فضاي كلي‌تر مي‌داند كه محدوده آن با محدوده حجمي كه آن را در خود جاي داده است، تطابق دارد.
تعريف افلاطون موفقيت بيشتري از تعريف ارسطو در طول تاريخ پيدا كرد و در دوره رنسانس با تعاريف نيوتن تكميل شد و به مفهوم فضاي سه‌بعدي و مطلق و متشكل از زمان و كالبدهايي كه آن را پر مي‌كنند، درآمدجيوردانو برونو (Giordano Bruno) در قرن شانزدهم با استناد به نظريه كپرنيك، نظريه‌هايي در مقابل نظريه ارسطو عنوان كرد. به عقيده او فضا از طريق آنچه در آن قرار دارد (جداره ها)، درك مي‌شود و به فضاي پيرامون يا فضاي مابين تبديل مي‌گردد. فضا مجموعه‌اي است از روابط ميان اشياء و ـ آنگونه كه ارسطو بيان داشته است ـ حتماً نميبايست كه از همه سمت محصور و همواره نهايتي داشته باشد.
در اواخر قرون وسطي و رنسانس، مجدداً مفهوم فضا بر اساس اصول اقليدسي شكل گرفت. در عالم هنر، جيوتو نقش مهمي را در تحول مفهوم فضا ايفا كرد، بطوري‌كه او با كاربرد پرسپكتيو بر مبناي فضاي اقليدسي، شيوه جديدي براي سازمان دهي و ارائه فضا ايجاد كرد با ظهور دوره رنسانس، فضاي سه‌بعدي به عنوان تابعي از پرسپكتيو خطي معرفي گرديد كه باعث تقويت برخي از مفاهيم فضايي قرون وسطي و حذف برخي ديگر شد. پيروزي اين شكل جديد از بيان فضا باعث توجه به وجود اختلاف بين جهان بصري و ميدان بصري و بدين ترتيب تمايز بين آنچه بشر از وجود آن آگاه است و آنچه مي‌بيند، شد در قرون هفدهم و هجدهم، تجربه‌گرايي باروك و رنسانس، مفهوم پوياتري از فضا را بوجود آورد كه بسيار پيچيده‌تر و سازماندهي آن مشكل‌تر بود. بعد از رنسانس به تدريج مفاهيم متافيزيكي فضا از مفاهيم مكاني و فيزيكي آن جدا و بيشتر به جنبه‌هاي متافيزيكي آن توجه شد، ولي برعكس در زمينه‌هاي علمي، مفهوم مكاني فضا پررنگ‌تر گشت دكارت از تأثيرگذارترين انديشمندان قرن هفدهم، در حدفاصل بين دوران شكوفايي كليسا از يك‌سو و اعتلاي فلسفه اروپا از سويي ديگر، مي‌باشد.
در نظريات او بر خصوصيت متافيزيكي فضا تأكيد شده‌است، ولي در عين حال او با تأكيد بر فيزيك و مكانيك، اصل سيستم مختصات راست‌گوشه (دكارتي) را براي قابل شناسايي كردن فاصله‌ها بكار برد كه نمودي از فرضيه مهم اقليدس درباره فضا بود. در روش دكارتي همه سطوح از ارزش يكساني برخوردارند و اشكال به عنوان قسمت هايي از فضاي نامتناهي مطرح مي‌شوند. تا پيش از دكارت، فضا تنها اهميت و بعد كيفي داشت و مكان اجسام به كمك اعداد بيان نمي‌شد.
نقش عمده او دادن بعد كمي به فضا و مكان بود لايب‌نيتز از طرفداران نظريه فضاي نسبي بود و اعتقاد داشت، فضا صرفاً نوعي سيستم است كه از روابط ميان چيزهاي بدون حجم و ذهني تشكيل مي‌شود. او فضا را به عنوان نظام اشياي همزيست يا نظام وجود براي تمام اشيايي كه همزمان‌اند، مي‌ديدبر خلاف لايب نيتز، نيوتن به فضايي متشكل از نقاط و زماني متشكل از لحظات باور داشت كه وجود اين فضا و زمان مستقل از اجسام و حوادثي بود كه در آنها قرار مي‌گرفتند. در اصل، او قائل به مطلق بودن فضا و زمان (نظريه فضاي مطلق) بود. به عقيده نيوتن فضا و زمان اشيايي واقعي و ظرف هايي به گسترش نامتناهي هستند. درون آنها كل توالي رويدادهاي طبيعي در جهان، جايگاهي تعريف شده مي‌يابند. بدين ترتيب حركت يا سكون اشياء در واقع به وقوع مي‌پيوندد و به رابطه آنها با تغييرات ديگر اجسام مربوط نمي‌شود1800 سال بعد از ارسطو، كانت فضا را به عنوان جنبه‌اي از درك انساني و متمايز و مستقل از ماده، مورد توجه قرار داد. او به‌هاي مطلق فضا و زمان در نظريه نيوتن را از مرحله دنياي خارجي تا ذهن انسان گسترش داد و نظريات فلسفي خود را بر اساس آنها پايه‌گذاري كرد. به عقيده كانت، فضا و زمان مسائل مفهومي و شهودي هستند كه دقيقاً در ذهن انسان و در ساختار فكري او جاي دارند و از ارگان هاي ادراك محسوب مي‌شوند و نمي‌توانند قائم به ذات باشند.
فضا مفهومي تجربي و حاصل تجارب بدست آمده در دنياي بيروني نيست. مي‌توانيم صرفاً فضا را از ديدگاه انسان تعريف كنيم. فراي وضعيت ذهني ما، بازنمودهاي فضا به هر شكلي كه باشد، معنايي ندارد، چون كه نه نشانگر هيچ يك از ويژگي‌ها و مقادير فضاست و نه نشاني از آنها در رابطه‌شان با يكديگر. بدين ترتيب و با اين ديدگاه آن چه ما اشياي خارجي مي‌ناميم، هيچ چيز ديگري جز نمودهاي صرف احساس‌هاي ما نيستند كه شكل‌شان فضاست در پايان اين يادداشت بهتر است به ديدگاه سه تن از فلاسفه معاصر درباره فضا اشاره گردد. هگل به حقيقت فضا و زمان معتقد نبود. در نظر او زمان صرفاً توهمي است كه ناشي از عدم توانايي ما در ديدن كل است. در فلسفه برگسون نيز فضا به عنوان مشخصه ماده از قطع جرياني برمي‌خيزد كه حقيقت است. برعكس زمان خصوصيت اساسي زندگي يا ذهن است. به عقيده او زمان، زمان رياضي نيست، بلكه تجمع همگن لحظات است و زمان رياضي در واقع شكلي از فضاست هايدگر يکي ديگر از فيلسوفان معاصر در تبيين واژه فضا (Raum,Rwm) بر اين عقيده است كه فضا به معني جايي است كه براي جاي‌گيري آماده باشد. فضا به چيزي كه يك محدوده و افق رهاست، جا مي‌دهد. اين تعريف از فضا، مي‌تواند تا حدودي با مفهوم مادي فضا، فضايي و جايي كه هنوز توسط اشياء فضايي و مكاني صورت تحقق نيافته است، منطبق باشد. با اين حال هايدگر اين جا بين بعد مادي فضا و بعد صوري فضا تمييز خلط مي‌كند. او مي‌گويد كه فضا در ذات خود همان است كه جا از براي آن (for which) ساخته شده است.
اين تعريف از فضا مستلزم تصوري از فضا است كه صورت فضا پيش از اين كه تحقق يابد، وجود داشته است كه براي آن جا ساخته شود. اين تصوير از فضا صرفاً آن را انتزاعي مي‌سازد. زيرا براي آن كه براي فضا پيش از تحقق صوري آنجا بوجود آيد، بايد آن را صرفاً در ذهن انتزاع كرد