ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
Категории, обозначающие осн. формы существования материи. Пр-во (П.) выражает порядок сосуществования отд. объектов, (В.) - порядок смены явлений. П. и в.- осн. понятия всех разделов физики. Они играют гл. роль на эмпирич. уровне физ. познания - непосредств. содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит в фиксации пространственно-временных совпадений. П. и в. служат также одними из важнейших средств конструирования теор. моделей, интерпретирующих эксперим. данные. Обеспечивая отождествление и различение (индивидуализацию) отд. фрагментов материальной действительности, П. и в. имеют решающее значение для построения физ. картины . Св-ва П. и в. делят на м е т р и ч е с к и е (протяжённость и длительность) и топологические (размерность , непрерывность и П. и в., порядок и направление В.). Совр. теорией метрич. св-в П. и в. явл. - специальная (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ) и общая (см. ТЯГОТЕНИЕ). Исследование топологич. св-в П. и в. в физике было начато в 60-70-х гг. и пока не вышло из стадии гипотез. Историч. развитие физ. представлений о П. и в. проходило по двум направлениям в тесной связи с разл. философскими представлениями. В начале одного из них лежали идеи Демокрита, приписывающего пустоте особый род бытия. Они нашли наиб. полное физ. воплощение в ньютоновских понятиях абс. П. и абс. В. Согласно И. Ньютону, абс. П. и в. представляли собой самостоят. сущности, к-рые не зависели ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов. Др. направление развития представлений о П. и в. восходит к Аристотелю и было разработано в философских работах нем. учёного Г. В. Лейбница, трактовавшего П. и в. как определённые типы отношений между объектами и их изменениями, не имеющие самостоят. существования. В физике концепция Лейбница была развита А. Эйнштейном в теории относительности.
Спец. теория относительности выявила зависимость пространств. и временных хар-к объектов от скорости их движения относительно определённой системы отсчёта и объединила П. и в. в единый четырёхмерный п р о с т р а н с т в е н н о-в р е м е н н о й к о н т и н у у м - пространство-время (п.-в.). Общая теория относительности вскрыла зависимость метрич. хар-к п.-в. от распределения тяготеющих (гравитац.) масс, наличие к-рых приводит к искривлению п.-в. В общей теории относительности от характера распределения масс зависят и такие фундам. свойства п.-в., как конечность и бесконечность, к-рые также обнаружили свою относительность.
Взаимосвязь св-в симметрии П. и в. с законами сохранения физ. величин была установлена ещё в классич. физике. Закон сохранения импульса оказался тесно связанным с однородностью П., закон сохранения энергии - с однородностью В., закон сохранения момента кол-ва движения - с изотропностью пр-ва (см. СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ , СИММЕТРИЯ ЗАКОНОВ ФИЗИКИ). В спец. теории относительности эта связь обобщается на четырёхмерное п.-в. Общерелятивистское обобщение последовательно провести пока не удалось.
Серьёзные трудности возникли также при попытке использовать выработанные в классич. (в т. ч. релятивистской), т. е. неквантовой, физике понятия П. и в. для теор. описания явлений в микромире. Уже в нерелятивистской квант. механике оказалось невозможным говорить о траекториях микрочастиц, и применимость понятий П. и в. к теор. описанию микрообъектов была ограничена дополнительности принципом (или неопределённостей соотношением). С принципиальными трудностями встречается экстраполяция макроскопич. понятий П. и в. на микромир в квантовой теории поля (расходимости , отсутствие объединения унитарной симметрии с пространственно-временными, теоремы Уайтмана и Хаага). С целью преодоления этих трудностей был выдвинут ряд предложений по модификации смысла понятий П. и в.- квантование пространства-времени, изменение сигнатуры метрики П. и в., увеличение размерности п.-в., учёт его топологии (геометродинамика) и др. Наиб. радикальной попыткой преодоления трудностей релятивистской квант. теории явл. гипотеза о неприменимости понятий п.-в. к микромиру. Аналогичные соображения высказываются также в связи с попытками осмысления природы нач. сингулярности в модели расширяющейся горячей Вселенной. Большинство физиков, однако, убеждены в универсальности п.-в., признавая необходимость существ. изменения смысла понятий п.-в.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
В физике определяются в общем виде как фундам. структуры координации материальных объектов и их состояний: система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т. д.), образует , а система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т. д.), образует время. П. и в. являются организующими структурами разл. уровней физ. познания и играют важную роль в межуровневых взаимоотношениях. Они (или сопряжённые с ними конструкции) во многом определяют структуру (метрическую, топологическую и т. д.) фундам. физ. теорий, задают структуру эмпирич. интерпретации и верификации физ. теорий, структуру операциональных процедур (в основе к-рых лежат фиксации пространственно-временных совпадений в измерит. актах, с учётом специфики используемых физ. взаимодействий), а также организуют физ. картины мира. К такому представлению вёл весь историч. путь концептуального развития.
В наиб. архаичных представлениях П. и в. вообще не вычленялись из материальных объектов и процессов природы (в к-рой достаточно мирно уживались как естественные, так и сверхъестественные персонажи): разл. участки территории обитания наделялись разл. положит. и отрицат. качествами и силами в зависимости от присутствия на них разл. сакральных объектов (захоронения предков, тотемы, храмы и т. д.), а каждому движению было сопричастно своё время. Время также членилось на качественно разл. периоды, благоприятные или зловредные по отношению к жизнедеятельности древних социумов. Ландшафт и календарные циклы выступали запёчатлённым мифом. В дальнейшем развитии мифологич. картина мира стала функционировать в рамках циклич. времени; будущее всегда оказывалось возрождением сакрального прошлого. На страже этого процесса стояла жёсткая идеология (обряды, запреты, табу и т. д.), принципами к-рой нельзя было поступиться, ибо они были призваны не допускать никаких новаций в этот мир вечных повторений, а также отрицали историю и историч. время (т. е. линейное время). Такие представления можно рассматривать как архаичный прообраз модели неоднородного и неизотропного П. и в. Учитывая, что развитая мифология пришла к представлению о членении мира на уровни (первоначально на Небо, Землю и Подземный мир, с последующим выяснением "тонкой структуры" двух крайних уровней, напр. седьмое небо, круги ада), можно дать более ёмкое определение П. и в. мифологич. картины мира: циклич. структура времени и многослойный пространства (Ю. М. Лотман). Естественно, это всего лишь совр. реконструкция, в к-рой П. и в. уже абстрагированы от материальных объектов и процессов; что же касается человеческого познания, то оно к подобному абстрагированию пришло не в архаичной мифологии, а в рамках последующих форм обществ. сознания (монотеистич. религия, натурфилософия и т. д.).
Начиная с этого момента, П. и в. получают самостоят. статус в качестве фундам. фона, на к-ром разворачивается природных объектов. Такие идеализированные П. и в. часто даже подвергались обожествлению. В античной натурфилософии происходит рационализация мифо-религиозных представлений: П. и в. трансформируются в фундам. субстанции, в первооснову мира. С этим подходом связана субстанциальная концепция П. и в. Таковы, напр., пустота Демокрита или топос (место) Аристотеля - это разл. модификации концепции пространства как вместилища ("ящик без стенок" и т. д.). Пустота у Демокрита заполнена ато-мистич. материей, а у Аристотеля материя континуальна и заполняет без разрывов - все места заняты. Т. о., аристотелево отрицание пустоты не означает отрицания пространства как вместилища. Субстанциальная концепция времени связана с представлением о вечности, некой неметризованной абс. длительности. Частное эмпирич. время рассматривалось как движущийся образ вечности (Платон). Это время получает числовую оформленность и метризуется с помощью вращения неба (или иных, менее универсальных, периодич. природных процессов) в системе Аристотеля; здесь время выступает уже не как фундам. субстанция, а как система отношений ("раньше", "позже", "одновременно" и т. д.) и реализуется реляционная концепция. Ей соответствует реляционная концепция пространства как система отношений материальных объектов и их состояний.
Субстанциальная и реляционная концепции П. и в. функционируют соответственно на теоретич. и эмпирич. (или умозрительном и чувственнопостигаемом) уровнях натурфилософских и естественнонауч. систем. В ходе человеческого познания происходит конкуренция и смена подобных систем, что сопровождается существенным развитием и изменением представлений о П. и в. Это достаточно чётко проявилось уже в античной натурфилософии: во-первых, в отличие от бесконечной пустоты Демокрита, пространство Аристотеля конечно и ограниченно, ибо сфера неподвижных звёзд пространственно замыкает космос; во-вторых, если пустота Демокрита является началом субстанциально-пассивным, лишь необходимым условием движения атомов, то эпос является началом субстанциально-активным и любое место наделено своей специфич. силой. Последнее характеризует динамику Аристотеля, на базе к-рой была создана геоцентрич. космологич. модель. Космос Аристотеля чётко разделён на земной (подлунный) и небесный уровни. Материальные объекты подлунного мира участвуют либо в прямолинейных естеств. движениях и движутся к своим естеств. местам (напр., тяжёлые тела устремляются к центру Земли), либо в вынужденных движениях, к-рые продолжаются, пока на них действует движущая . Небесный мир состоит из эфирных тел, пребывающих в бесконечном совершенном круговом естеств. движении. Соответственно в системе Аристотеля была развита матем. астрономия небесного уровня и качеств. (механика) земного уровня мира.
Ещё одно концептуальное достижение Древней Греции, к-рое определило дальнейшее развитие представлений о пространстве (и времени),- это геометрия Евклида, чьи знаменитые "Начала" были развиты в виде аксиоматич. системы и справедливо рассматриваются как древнейшая ветвь физики (А. Эйнштейн) и даже как космологич. теория [К. Поппер (К. Popper), И. Ла-катос (I. Lakatos)]. Картина мира Евклида отлична от аристотелевой и включает в себя представление об однородном и бесконечном пространстве. Евклидова геометрия (и ) не только сыграла роль концептуальной основы классич. механики, определив такие фундам. идеализированные объекты, как пространство, абсолютно твёрдый (самоконгруэнтный) , геометризованный световой и т. д., но и явилась плодотворным матем. аппаратом (языком), с помощью к-рого были разработаны основы классич. механики. Начало классич. механики и сама возможность её построения были связаны с коперниканской революцией 16 в., в ходе к-рой гелиоцентрич. космос предстал как единая конструкция, без деления на качественно отличные небесный и земной уровни.
Дж. Бруно (G. Bruno) разрушил ограничивающую небесную сферу, поместил космос в бесконечное пространство, лишил его центра, заложил основу однородного бесконечного пространства, в рамках к-рого усилиями блестящей плеяды мыслителей [И. Кеплер (I. Kepler), Р. Декарт (R. Descartes), Г. Галилей (G. Galilei), И. Ньютон (I. Newton) и др.] была развита классич. . Уровня систематич. разработки она достигла в знаменитых "Математических началах натуральной философии" Ньютона, к-рый разграничивал в своей системе два типа П. и в.: абсолютные и относительные.
Абсолютное, истинное, матем. время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абс. пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остаётся всегда одинаковым и неподвижным.
Такие П. и в. оказались парадоксальными с точки зрения здравого смысла и конструктивными на теоретич. уровне. Напр., концепция абс. времени парадоксальна потому, что, во-первых, рассмотрение течения времени связано с представлением времени как процесса во времени, что логически неудовлетворительно; во-вторых, трудно принять утверждение о равномерном течении времени, ибо это предполагает, что существует нечто контролирующее потока времени. Более того, если время рассматривается "без всякого отношения к чему-либо внешнему", то какой смысл может иметь предположение, что оно течёт неравномерно?
Если же подобное предположение бессмысленно, то какое значение имеет условие равномерности течения? Конструктивный смысл абсолютных П. и в. стал проясняться в последующих логико-матем. реконструкциях ньютоновой механики, к-рые получили своё относит. завершение в аналитич. механике Лагранжа [можно отметить также реконструкции Д"Аламбера (D"Alambert), У. Гамильтона (W. Hamilton) и др.], в к-рой был полностью элиминирован геометризм "Начал" и механика предстала как раздел анализа. В этом процессе на первый план стали выступать представления о законах сохранения, принципах симметрии, инвариантности и т. д., к-рые позволили рассмотреть классич. физику с единых концептуальных позиций. Была установлена связь осн. законов сохранения с пространственно-временной симметрией [С. Ли (S. Lie), F. Клейн (F. Klein), Э. Нётер (Е. Noether)]: сохранение таких фундам. физ. величин, как , импульс и угл. момент, выступает как следствие того, что П. и в. изотропны и однородны. Абсолютность П. и в., абс. характер длины и временных интервалов, а также абс. характер одновременности событий получили чёткое выражение в Галилея принципе относительности,
к-рый можно сформулировать как принцип ковариантности законов механики относительно Галилея преобразований. Т. о., во всех инерциальных системах отсчёта равномерно течёт единое непрерывное абс. время и осуществляется абс. (т. е. одновременность событий не зависит от системы отсчёта, она абсолютна), основой к-рого могли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы - эта роль в ньютоновой системе отводилась тяготению (всемирного тяготения закон).
Однако статус дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальной природой П. и в. в рамках механич. картины мира.
От абс. пространства Ньютон отличал протяжённость материальных объектов, к-рая выступает как их осн. свойство и есть пространство относительное. Последнее является мерой абс. пространства и может быть представлено как конкретных инерциальных систем отсчёта, находящихся в относит. движении. Соответственно и относит. время есть мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного матем. времени,- это , день, месяц, . Относит. П. и в. постигаемы чувствами, но они являются не перцептуальными, а именно эмпирич. структурами отношений между материальными объектами и событиями. Следует отметить, что в рамках эмпирич. фиксации были вскрыты нек-рые фундам. свойства П. и в., не отражённые на теоретич. уровне классич. механики, напр. трёхмерность пространства или необратимость времени.
Классич. механика до конца 19 в. определяла осн. направление науч. познания, к-рое отождествлялось с познанием механизма явлений, с редукцией любых явлений к механич. моделям и описаниям. Абсолютизации были подвергнуты и механич. представления о П. и в., к-рые были возведены на "Олимп априорности". В философской системе И. Канта (I. Kant) П. и в. стали рассматриваться как априорные (доопытные, врождённые) формы чувственного созерцания. Большинство философов и естествоиспытателей вплоть до 20 в. придерживались этих априористских воззрений, однако уже в 20-х гг. 19 в. были развиты разл. варианты неевклидовых геометрий [К. Гаусс (С. Gauss), H. И. Лобачевский, Я. Больяй (J. Bolyai) и др.], что связано с существенным развитием представлений о пространстве. Математиков давно интересовал вопрос о полноте аксиоматики евклидовой геометрии. В этом отношении наиб. подозрения вызывала аксиома о параллельных. Был получен поразительный результат: оказалось, что можно развить непротиворечивую систему геометрии, отказавшись от аксиомы о параллельных и допустив существование неск. прямых, параллельных данной и проходящих через одну точку. Представить себе такую картину крайне трудно, но учёные уже усвоили гносеологич. урок коперниканской революции - наглядность может быть связана с правдоподобностью, но не обязательно с истиной. Поэтому хотя Лобачевский и называл свою геометрию воображаемой, но поставил вопрос об эмпирич. определении евклидова или неевклидова характера физ. пространства. Б. Риман (В. Riemann) обобщил понятие пространства (куда как частные случаи вошли и всё множество неевклидовых пространств), положив в его основу представление о метрике,- пространство есть трёхмерное , на к-ром можно аналитически задать разл. аксиоматич. системы, и геометрия пространства определяется с помощью шести компонент метрического тензора,
заданных как ф-ции координат. Риман ввёл понятие кривизны
пространства, к-рое может иметь положит., нулевое и отрицат. значения. В общем случае пространства не обязательно должна быть постоянной, а может меняться от точки к точке. На таком пути были обобщены не только аксиома о параллельных, но и др. аксиомы евклидовой геометрии, что привело к развитию неархимедовых, непаскалевых и др. геометрий, в к-рых пересмотру были подвергнуты многие фундам. свойства пространства, напр. его непрерывность, и т. д. Обобщению было подвергнуто также представление о размерности пространства: была развита теория N
-мерных многообразий и стало возможным говорить даже о бесконечномерных пространствах.
Подобная разработка мощного матем. инструментария, существенно обогатившего представления о пространстве, сыграла важную роль в развитии физики 19 в. (многомерные фазовые пространства, экстремальные принципы и т. д.), для к-рой были характерны значит. достижения и в концептуальной сфере: в рамках термодинамики получило явное выражение [У. Томсон (W. Thomson), Р. Клаузиус (R. Clausius) и др.] представление о необратимости времени - закон возрастания энтропии
(второе начало термодинамики), а с электродинамикой Фарадея - Максвелла в физику вошли представления о новой реальности - , о существовании привилегиров. системы отсчёта, к-рая неразрывно связана с материализов. аналогом абс. пространства Ньютона, с неподвижным эфиром и т. д. Однако неизмеримо более плодотворными оказались матем. новации 19 в. в революц. преобразованиях физики 20 в.
Революция в физике 20 в. ознаменовалась разработкой таких неклассич. теорий (и соответствующих физ. исследовательских программ), как частная (специальная) и общая теории относительности (см. Относительности теория. Тяготение), квантовая теория поля,
релятивистская и др., для к-рых характерно существенное развитие представлений о П. и в.
Теория относительности Эйнштейна была создана как движущихся тел, в основу к-рой были положены новый принцип относительности (относительность обобщалась с механич. явлений на явления эл.-магн. и оптические) и принцип постоянства и предельности скорости света с
в пустоте, не зависящей от движения излучающего тела. Эйнштейн показал, что операциональные приёмы, с помощью к-рых устанавливается физ. содержание евклидова пространства в классич. механике, оказались неприменимыми к процессам, протекающим со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Поэтому он начал построение электродинамики движущихся тел с определения одновременности, используя световые сигналы для синхронизации часов. В теории относительности понятие одновременности лишено абс. значения и становится необходимым развить соответствующую теорию преобразования координат ( х, у, z
)и времени (t
) при переходе от покоящейся системы отсчёта к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой со скоростью u.
В процессе развития этой теории Эйнштейн пришёл к формулировке Лоренца преобразований:
Была выяснена необоснованность двух фундам. положений о П. и в. в классич. механике: промежуток времени между двумя событиями и расстояние между двумя точками твёрдого тела не зависят от состояния движения системы отсчёта. Поскольку одинакова во всех системах отсчёта, то от этих положений приходится отказаться и сформировать новые представления о П. и в. Если преобразования Галилея классич. механики основывались на допущении существования операциональных сигналов, распространяющихся с бесконечной скоростью, то в теории относительности операциональные световые сигналы обладают конечной макс. скоростью с и этому соответствует новый сложения скоростей закон,
в к-ром в явной форме запечатлена специфика предельно быстрого сигнала. Соответственно сокращение длины и замедление времени носят не динамич. характер [как это представляли X. Лоренц (Н. Lorentz) и Дж. Фицджеральд (G. Fitzgerald) при объяснении отрицат. результата Майкелъсона
опыта] и не являются следствием специфики субъективного наблюдения, а выступают элементами новой релятивистской концепции П. и в.
Абс. пространство, единое время для разл. систем отсчёта, абс. скорость и т. д. потерпели фиаско (даже от эфира отказались), были выдвинуты их относит. аналоги, что, собственно, и определило назв. теории Эйнштейна - "теория относительности". Но новизна пространственно-временных представлений этой теории не исчерпывалась выявлением относительности длины и временного промежутка,- не менее важным было выяснение равноправности пространства и времени (они равноправно входят в преобразования Лоренца), а в дальнейшем - и инвариантности пространственно-временного интервала.
Г .
Минковский (Н. Minkowski) вскрыл органич. взаимосвязь П. и в., к-рые оказались компонентами единого четырёхмерного континуума (см. Минковского пространство-время).
Критерий объединения относит. свойств П. и в. в абс. четырёхмерное многообразие характеризуется инвариантностью четырёхмерного интервала (ds): ds
2 = c 2 dt 2
- dx 2
- dy 2
- dz
2 . Соответственно Минковский вновь переносит акцент с относительности на абсолютность ("постулат абс. мира"). В свете этого положения становится ясным несостоятельность часто встречающегося утверждения, что при переходе от классич. физики к частной теории относительности произошла смена субстанциальной (абсолютной) концепции П. и в. на реляционную. В действительности имел место иной процесс: на теоретич. уровне произошла смена абс. пространства и абс. времени Ньютона на столь же абсолютное четырёхмерное пространственно-временное многообразие Минковского (это субстанциальная концепция), а на эмпирич. уровне на смену относит. пространству и относит. времени механики Ньютона пришли реляционное П. и в. Эйнштейна (реляционная модификация атрибутивной концепции), основанные на совершенно иной эл.-магн. операциональности.
Частная теория относительности была лишь первым шагом, ибо новый принцип относительности был приложим лишь к инерциальным системам отсчёта. След. шагом была попытка Эйнштейна распространить этот принцип на системы равноускоренные и вообще на весь круг неинерциальных систем отсчёта - так родилась . По Ньютону, неинерци-альные системы отсчёта движутся ускоренно относительно абс. пространства. Ряд критиков концепции абс. пространства [напр., Э. Max (E. Mach)] предложили рассматривать такое ускоренное по отношению к горизонту удалённых звёзд. Тем самым наблюдаемые массы звёзд становились источником инерции. Эйнштейн дал иное толкование этому представлению, исходя из принципа эквивалентности, согласно к-рому неинерциальные системы локально неотличимы от поля тяготения. Тогда если обусловлена массами Вселенной, а поле сил инерции эквивалентно гравитац. полю, проявляющемуся в геометрии пространства-времени, то, следовательно, массы определяют и саму геометрию. В этом положении чётко обозначился существенный в трактовке проблемы ускоренного движения: принцип Маха об относительности инерции трансформирован Эйнштейном в принцип относительности геометрии пространства-времени. Принцип эквивалентности носит локальный характер, но он помог Эйнштейну сформулировать осн. физ. принципы, на к-рых базируется новая теория: гипотезы о геометрич. природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме этого, Эйнштейн выдвинул ряд матем. гипотез, без к-рых невозможно было бы вывести гравитац. ур-ния: пространство-время четырёхмерно, его структура определяется симметричным метрич. тензором, ур-ния должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат. В новой теории пространство-время Минковского обобщается в метрику искривлённого пространства-времени Римана: 
где - квадрат
расстояния между точками и - дифференциалы координат этих точек, а - нек-рые ф-ции координат, составляющие фундам, метрич. , и определяют геометрию пространства-времени. Принципиальная новизна подхода Эйнштейна к пространству-времени заключается в том, что ф-ции являются не только компонентами фундам. метрич. тензора, ответственного за геометрию пространства-времени, но одновременно и потенциалами гравитац. поля в осн. ур-нии общей теории относительности: 
= -(8pG
/с 2), где - тензор кривизны, R -
скалярная кривизна,- метрич. тензор, - тензор энергии-импульса, G
- гравитационная постоянная.
В этом ур-нии выявлена связь материи с геометрией пространства-времени.
Общая теория относительности получила блестящее эмпирич. подтверждение и послужила основой последующего развития физики и космологии на базе дальнейшего обобщения представлений о П. и в., выяснения их сложной структуры. Во-первых, сама операция геометризации тяготения породила целое направление в физике, связанное с геометризованными едиными теориями поля. Осн. идея: если искривление пространства-времени описывает гравитацию, то введение более обобщённого риманова пространства с повышенной размерностью, с кручением, с многосвязностью и т. д. даст возможность для описания иных полей (т. н. градиент-но-инвариантная теория Вейля, пятимерная Калуцы
- Клейна теория
и др.). В 20-30-е гг. обобщения пространства Римана затрагивали в основном метрич. свойства пространства-времени, однако в дальнейшем пошла уже о пересмотре топологии [геометродинамика Дж. Уилера (J. Wheeler)], а в 70-80-е гг. физики пришли к выводу, что калибровочные поля
глубоко связаны с геометрич. концепцией связности
на расслоённых пространствах (см. Расслоение) -
на этом пути достигнуты впечатляющие успехи, напр. в единой теории эл.-магн. и слабого взаимодействий - теории электрослабых взаимодействий
Вайнберга - Глэшоу - Салама (S. Weinberg, Sh. L.Glashaw, A. Salam), к-рая построена в русле обобщения квантовой теории поля.
Общая теория относительности является основой совр. релятивистской космологии. Непосредственное применение общей теории относительности ко Вселенной даёт неимоверно сложную картину космич. пространства-времени: материя во Вселенной сосредоточена в основном в звёздах и их скоплениях, к-рые распределены неравномерно и соответствующим образом искривляют пространство-время, оказывающееся неоднородным и неизотропным. Это исключает возможность практич. и матем. рассмотрения Вселенной как целого. Однако ситуация меняется по мере продвижения к крупномасштабной структуре пространства-времени Вселенной: скоплений галактик оказывается в среднем изотропным, характеризуется однородностью и т. д. Всё это оправдывает введение космологич. постулата об однородности и изотропности Вселенной и, следовательно, понятия мирового П. и в. Но это не абс. П. и в. Ньютона, к-рые, хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидова характера имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицат. и положит. кривизной. Соответственно в космологии был поставлен очень важный вопрос: конечна или бесконечна Вселенная?
Эйнштейн столкнулся с этой проблемой при попытке построить первую космологич. модель и пришёл к выводу, что общая теория относительности несовместима с допущением бесконечности Вселенной. Он разработал конечную и статичную модель Вселенной - сферич. Вселенная Эйнштейна. Речь идёт не о привычной и наглядной сфере, к-рую можно часто наблюдать в обыденной жизни. Напр., мыльные пузыри или мячи сферичны, но они являются образами двумерных сфер в трёхмерном пространстве. А Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Такая модель существенно обогащает наши представления о пространстве. В евклидовом пространстве бесконечность и неограниченность были единым нерасчленённым понятием. На самом деле это разные вещи: бесконечность является метрич. свойством, а неограниченность - топологическим. У Вселенной Эйнштейна нет границ, и она является всеобъемлющей. Более того, сферич. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Но, как выяснилось, стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности. Стационарность пытались спасти разл. методами, что повлекло развитие ряда оригинальных моделей Вселенной, однако решение было найдено на пути перехода к нестационарным моделям, к-рые впервые были развиты А. А. Фридманом. Метрич. свойства пространства оказались изменяющимися во времени. В космологию вошла диалектич. идея развития. Выяснилось, что Вселенная расширяется [Э. Хаббл (Е. Hubble)]. Это вскрыло совершенно новые и необычные свойства мирового пространства. Если в классич. пространственно-временных представлениях разбегание галактик интерпретируется как их движение в абс. ньютоновом пространстве, то в релятивистской космологии это явление оказывается результатом нестационарности метрики пространства: не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Если экстраполировать это расширение "вспять" во времени, то получается, что наша Вселенная была "стянута в точку" прибл. 15 млрд. лет назад. Совр. наука не знает, что происходило в этой нулевой точке t
= О, когда материя была спрессована в критич. состояние с бесконечной плотностью и бесконечной была кривизна пространства. Бессмысленно задавать вопрос, что было до этой нулевой точки. Такой вопрос осмыслен D применении к ньютонову абс. времени, а в релятивистской космологии работает иная модель времени, в к-рой в момент t
=0 возникает не только стремительно расширяющаяся (или раздувающаяся) Вселенная (Большой ), но и само время. Совр. всё ближе подходит в своём анализе к "нулевому моменту", реконструируются реалии, имевшие место через секунду и даже доли секунды после Большого взрыва. Но это уже область глубокого микромира, где не работает классич. (неквантовая) релятивистская космология, где вступают в силу квантовые явления, с к-рыми связан другой путь развития фундам. физики 20 в. со своими специфич. представлениями о П. и в.
В основе этого пути развития физики лежало открытие М. Планком (М. Planck) дискретности процесса испускания света: в физике появился новый " " - атом действия, или , эрг·с, к-рый стал новой мировой константой. Мн. физики [напр., А. Эддингтон (A. Eddington)] с момента появления кванта подчёркивали загадочность его природы: он неделим, но не имеет границ в пространстве, он как бы заполняет собой всё пространство, и не ясно, какое место следует отнести ему в пространственно-временной схеме мироздания. Место кванта было чётко выяснено в квантовой механике, вскрывшей закономерности атомного мира. В микромире становится бессодержательным понятие пространственно-временной траектории частицы (обладающей как корпускулярными, так и волновыми свойствами), если под траекторией понимается классич. образ линейного континуума (см. Причинность).
Поэтому в первые годы развития квантовой механики её создатели делали осн. упор на вскрытие того факта, что она не даёт описания движения атомных частиц в пространстве и времени и ведёт к полному отказу от привычного пространственно-временного описания. Выявилась необходимость пересмотра пространственно-временных представлений и лапласов-ского детерминизма классич. физики, ибо квантовая механика является принципиально статистич. теорией и ур-ние Шрёдингера описывает амплитуду нахождения частицы в данной пространственной области (расширяется и само понятие пространственных координат в квантовой механике, где они изображаются операторами).
В квантовой механике было вскрыто наличие принципиального ограничения точности при измерениях на малых расстояниях параметров микрообъектов, обладающих энергией порядка той, к-рая вносится в процессе измерения. Это обусловливает необходимость наличия двух дополняющих друг друга эксперим. установок, к-рые в рамках теории формируют два дополнительных описания поведения микрообъектов: пространственно-временное и импульс-но-энергетическое. Любое повышение точности определения пространственно-временной локализации квантового объекта сопряжено с повышением неточности в определении его импульсно-энергетич. характеристик. Неточности измеряемых физ. параметров образуют неопределённостей соотношения:
.
Важно, что указанная дополнительность содержится и в самом матем. формализме квантовой механики, определяя дискретность фазового пространства.
Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, в к-рой представления о П. и в. столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является сложной многоуровневой системой, на каждом уровне к-рой господствуют специфич. виды взаимодействий и характерные специфич. свойства пространственно-временных отношений. Область доступных в эксперименте микроскопич. интервалов условно можно поделить на четыре уровня: уровень молекулярно-атомных явлений (10 -6 см < Dx <
10 -11 см); уровень релятивистских квантовоэлектродинамич. процессов; уровень элементарных частиц; уровень ультрамалых масштабов (Dx 8
10 -16 см и Dt
8
10 -26 с - эти масштабы доступны в опытах с космич. лучами). Теоретически можно ввести и значительно более глубокие уровни (лежащие далеко за пределами возможностей не только сегодняшних, но и завтрашних экспериментов), с к-рыми связаны такие концептуальные новации, как флуктуация метрики, изменения топологии, "пенообразная структура" пространства-времени на расстояниях порядка планковской длины
(Dx
10 -33 см). Однако достаточно решительный пересмотр представлений о П. и в. потребовался на уровнях, вполне доступных совр. эксперименту при развитии физики элементарных частиц. Уже столкнулась со многими трудностями именно потому, что была связана с заимствованными из классич. физики понятиями, основанными на концепции пространственно-временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля и т. д. Это повлекло за собой существенные осложнения, связанные е бесконечными значениями таких важных величин, как , собств. энергия электрона и т. д. (ультрафиолетовые расходимости).
Эти трудности пытались преодолеть введением в теорию представления о дискретном, квантованном пространстве-времени. Первые разработки 30-х гг. (В. А. Ам-барцумян, Д. Д. Иваненко) оказались неконструктивными, ибо не удовлетворяли требованию релятивистской инвариантности, а трудности квантовой электродинамики были решены с помощью процедуры перенормировки:
малость константы эл.-магн. взаимодействий (а = 1/137) позволила использовать ранее разработанную теорию возмущений. Но в построении квантовой теории др. полей (слабого и сильного взаимодействий) эта процедура оказалась не работающей, и выход стали искать на пути ревизии концепции локальности поля, его линейности и т. д., что опять наметило возврат к идее существования "атома" пространства-времени. Это направление получило новый импульс в 1947, когда X. Снайдер (Н. Snyder) показал возможность существования релятивистски инвариантного пространства-времени, в к-ром содержится естеств. единица длины l
0 . Теория квантованного П. и в. получила развитие в работах В. Л. Авербаха, Б. В. Медведева, Ю. А. Гольфанда, В. Г. Кадышевского, Р. М. Мир-Касимова и др., к-рые стали приходить к выводу, что в природе существует фундаментальная длина l
0 ~ 10 -17 см. Дж. Чу (G. Chew), Э. Циммерман (Е. Zim-mermann) и др. экстраполировали представление о дискретности пространства-времени в гипотезу о макро-сконич. природе П. и в. Речь стала идти не о специфике дискретной структуры П. и в. в физике элементарных частиц, а о наличии некой границы в микромире, за к-рой вообще нет ни пространства, ни времени. Весь этот комплекс идей продолжает привлекать внимание исследователей, но существенный прогресс был достигнут Ч. Янгом (Ch. Yang) и Р. Миллсом (R. Mills) путём неабелева обобщения квантовой теории поля ( Янга
- Миллса поля),
в рамках к-рого удалось не только реализовать процедуру , но и приступить к реализации программы Эйнштейна - к построению единой теории поля. Создана единая теория электрослабых взаимодействий, к-рая в пределах расширенной симметрии U
(1) x SU
(2) x SU
(3) c
объединяется с квантовой хромодинамикой
(теорией сильных взаимодействий). В этом подходе произошёл синтез ряда оригинальных идей и представлений, напр. гипотезы кварков,
цветовой симметрии кварков SU(3) c ,
симметрии слабых и эл.-магн. взаимодействий SU
(2) x U
(1),
локально калибровочного и неабелевого характера этих симметрии, существования спонтанно нарушенной симметрии и перенормируемости. Причём требование локальности калибровочных преобразований устанавливает ранее отсутствующую связь между динамич. сим-метриями и пространством-временем. В настоящее время разрабатывается теория, объединяющая все фундам. физ. взаимодействия, включая гравитационные. Однако выяснилось, что в этом случае речь идёт о пространствах 10, 26 и даже 605 размерностей. Исследователи надеются, что чрезмерный избыток размерностей в процессе компактификации удастся "замкнуть" в области планковских масштабов и в теорию макромира войдёт
лишь привычное четырёхмерное пространство-время. Что же касается вопросов о структуре пространства-времени глубокого микромира или о первых мгновениях Большого взрыва, то ответы на них будут найдены лишь в физике 3-го тысячелетия.
Лит.: Фок В. А., Теория пространства, времени и тяготения, 2 изд., М., 1961; Пространство и время в современной физике, К., 1968; Грюнбауи А., Философские проблемы пространства и времени, пер. с англ., М., 1969; Чуди-нов Э. М., Пространство и время в современной физике, М., 1969; Блохинцев Д. И., Пространство и время в микромире, 2 изд., М., 1982; Мостепаненко А. М., Пространство-время и физическое познание, М., 1975; Хокинг С., Эллис Д ж.. Крупномасштабная структура пространства-времени, пер. с англ., М., 1977; Девис П., Пространство и время в современной картине Вселенной, пер. с англ., М., 1979; Барашенков B.C., Проблемы субатомного пространства и времени, М., 1979; Ахундов М. Д., Пространство и время в физическом познании, М., 1982; Владимиров Ю. С., Мицкевич Н. В., Xорски А., Пространство, время, - всеобщие формы бытия материи, её важнейшие атрибуты. В мире нет материи, не обладающей пространственно временными свойствами, как не существует П. и в. самих по себе, вне материи или независимо от неё. Пространство есть форма бытия… … Философская энциклопедия
Министерство науки, высшей школы и технической политики
Саратовский ордена трудового красного знамени государственный
университет им. Н. Г. Чернышевского
РЕФЕРАТ ПО ФИЛОСОФИИ
соискателя звания к.ф.-м.н.
инженера кафедры физики твёрдого тела
Бабаяна Андрея Владимировича.
Тема: Пространство и время в физике.
г.Саратов - 1994 г.
ВВЕДЕНИЕ 2
1. Развитие пространственно-временных представлений
в классической механике 3
2. Пространство и время в теории относительности
Альберта Эйнштейна 8
2.1. Специальная теория относительности 8
2.2. Пространство и время в общей теории
относительности и релятивистской
космологии 10
3. Пространство и время в физике микромира 15
3.1. Пространственно-временные представления
квантовой механики 15
3.2. Прерывность и непрерывность пространства и
времени в физике микромира 18
3.3. Проблема макроскопичности пространства и
времени в микромире 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23
ЛИТЕРАТУРА 24
ВВЕДЕНИЕ.
Диалектический материализм исходит из того, что "в мире
нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не
может двигаться иначе, как в пространстве и во времени"(*).
Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными
формами существования материи. Классическая физика
рассматривала пространственно - временной континуум как
универсальную арену динамики физических объектов. Однако
развитие неклассической физики (физики элементарных частиц,
квантовой физики и др.) выдвинуло новые представления о
пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно
связаны между собой. Возникли разные концепции: согласно одним,
в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного
пространства, а физические объекты являются только проявлениями
этого пространства. Согласно другим, пространство и время
присущи лишь макроскопическим объектам.
Как видно, современная физика настолько разрослась и
потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо
противоположные утверждения о природе и статусе пространства и
времени. Этот факт требует тщательного исследования, так как
может показаться, что представления современной физики
противоречат фундаментальным положениям диалектического
материализма.
Правда, следует отметить, что в современной физике речь
идет о пространстве и времени как о физических понятиях, как о
конкретных математических структурах, наделенных
соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациями
в рамках оределённых теорий, и что выяснение макроскопичности
подобных структур не имеет прямого отношения к положению
диалектического материализма об универсальности пространства и
времени, так как в этом речь идет уже о философских категориях.
Начинать исследование целесообразно с представлений
античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития
пространственно - временных представлений вплоть до наших дней.
ДДДДДДДДД
(*) Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181.
1. РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННЫХ
ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ.
В анализе античных доктрин о пространстве и времени
остановимся на двух: атомизме Демокрита и системе Аристотеля.
Атомистическая доктрина была развита материалистами
Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрины,
всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек
материи (атомов), которые двигаются, сталкиваются и
сочетаются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (
небытие) являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не
уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности
времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время.
Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.
Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически
неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты. Множество
атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один
большой атом, исчерпывающий собой мир.
Сама же концепция была основана на атомах, которые в
сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира. В
основе этих атомов лежат амеры (пространственный минимум
материи). Отсутствие у амеров частей служит критерием
математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а
последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с
представлениями современной физики о кварках.
Характеризуя систему Демокрита как теотию структурных
уровней материи - физического (атомы и пустота) и
математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя
пространствами: непрерывное физическое пространство как
вместилище и математическое пространство, основанное на амерах
как масштабных единицах протяжения материи.
В соответствии с атомистической концепцией пространства
Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В
дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур
рассмотривал свойства механического движения исходя из
дискретного характера пространства и времени. Например,
свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с
одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии
состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один
"атом" пространства за один "атом" времени.
Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа
пространства и времени. В их представлениях были реализованы
субстанциальная и атрибутивная концепции.
Аристотель начинает анализ с общего вопроса о
существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о
существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени
ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное
внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель
показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но
оно не есть и само движение.
В такой модели времени реализована реляционная концепция.
Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью
любого периодического движения, но, для того чтобы полученная
величина была универсальной, необходимо использовать движение с
максимальной скоростью. В современной физике это скорость
света, в античной и средневековой философии - скорость движения
небесной сферы.
Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего
отношения предметов материального мира, оно понимается как
Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели
мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но
это лишь один из уровней космоса Аристотеля. Его
космологическая модель функционировала в конечном неоднородном
пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос
был разделен на земной и небесный уровни. Земной состоит из
четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из
эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении.
Эта модель просуществовала около двух тысячелетий.
Однако в системе Аристотеля были и другие положения,
которые оказались более жизнеспособными и во многом определили
развитие науки вплоть до настоящего времени. Речь идёт о
логическом учении Аристотеля на основе которого были
разработаны первые научные теории, в частности геометрия
В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами
встечаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем
арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые
считались решёнными. В таком подходе представлена модель
теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая система и
эмпирический базис связываются операционными правилами.
Геометрия Евклида является первой логической системой понятий,
трактующих поведение каких-то природных объектов. Огромной
заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории
твёрдого тела и световых лучей.
Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины
мира как в эмпирическом, так и в теоретико-логическом плане. С
помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были
революционные представления Н. Коперника, который развил
гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории
1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов
которого находится Солнце.
2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты,
изменяется пропорционально времени.
3. Квадраты времён обращения планет вокруг Солнца относятся как
кубы их средних расстояний от Солнца.
Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания
концепций пространства и инерции: у Галилея признаётся пустое
пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошёл до
идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое
пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и
прямолинейное инерциальное движение.
Для Декарта не характерен осознанный и систематический
учёт относительности движения. Его представления ограничены
рамками геометризации физических объектов, ему чужда
ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления
изменению. Для Ньютона же характерна динамическая трактовка
массы, и в его системе это понятие сыграло основопологающую
роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя,
ибо это требуется неизменностью божества. То же самое
достоверно для Ньютона вследствие массы тела.
Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на
Особенностью физики является то, что она оперирует поня-тиями, которым соответствуют измеримые, характеризуе-мые числом величины. Многие важные понятия обыденного языка (например, ум, справедливость), а также и белее утон-ченные философские категории не таковы. Это существен-ное самоограничение, но благодаря ему физические выска-зывания приобретают четкий и однозначный смысл и, что не менее важно, могут быть подвергнуты экспериментальной проверке.
Измеримые величины называются наблюдаемыми, и утверждения относительно наблюдаемых величин проверяе-мы. Физика старается избегать высказываний, которые са-ми либо выводимые из них следствия не могут быть в принципе проверены и либо подтверждены, либо опро-вергнуты (важна именно принципиальная возможность проверки, независимо от того, осуществима ли она имею-щимися в данный момент средствами).
Понятия «пространство » и «время » — это одновременно и понятия обыденного язык а, и важные философские катего-рии, но также и исходные фундаментальные понятия физи-ки . Окружающий нас мир — это множество событий, происходящих в пространстве и времени.
Понятие «пространство » связано с протяженными телами. Тела находятся в пространстве. И это понятие наглядней и кажется более простым, чем «время», но и здесь есть свои трудности.
Простейшее изменение, происходящее в окружающем ми-ре, — это движение, когда объект, оставаясь тождествен-ным самому себе, перемещается из одного места в другое, и не случайно математическое описание реальности начина-лось именно с описания движения. Когда мы говорим о дви-жении, то подразумеваем движение в пространстве. Поня-тие «движение» соединяет между собой понятия «пространство » и «время », и часто они и связанные с ними проблемы рассматривались вместе. В физике эти два поня-тия слились в одно — «пространство-время».
Мысленно легко абстрагироваться от предметов, заполня-ющих пространство, и представить себе «чистое» (абсолютное — по терминологии Ньютона) пространство, в ко-тором нет ничего. Точно так же можно абстрагироваться от конкретных процессов, протекающих во времени, и сфор-мировать представление о «чистом» времени, о времени «самом по себе». «Абсолютное, истинное, математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всяко-го отношения к чему-либо внешнему протекает равномер-но и иначе называется длительностью» — определение, данное Ньютоном в его знаменитом труде «Математиче-ские начала натуральной философии». Пространство — это та арена, на которой происходят все явления окружаю-щего нас мира, и они протекают во времени. Именно эти представления лежали в основе ньютоновской механики . Но постепенно стало ясно, что такие абстракции, как «чис-тое пространство» и «чистое время», не могут быть предме-том научного объяснения. Точки «чистого пространства» не наблюдаемы. Они неотличимы одна от другой. Невоз-можно говорить о движении относительно абсолютного пространства, потому что утверждения о движении или покое непроверяемы. Материал с сайта
С античных времен, однако, считали, что свойства «чистого» пространства правильно списываются специальной матема-тической дисциплиной — евклидовой геометрией , которую до сих пор изучают в школе. Утверждения геометрии (теоре-мы) можно было непосредственно проверить. Например, рассматривая конкретные прямоугольные треугольники и измеряя их стороны линейкой, можно убедиться в правиль-ности теоремы Пифагора. Но главным достоинством теорем считали то, что они не нуждаются в экспериментальной про-верке, потому что они «доказываются». Геометрия создавала и поддерживала иллюзию того, «то могут быть осмысленные, содержательные и «правильные» (проверяемые) высказыва-ния о некоторых свойствам реального мира, полученные чис-то умозрительно, иллюзию, которая веками укрепляла фило-софию и метафизику в их поисках умопостигаемых истин. Уверенность в том, что утверждения геометрии относятся к реальному пространству, была поколеблена лишь в середине XIX в., после создание неевклидовых геометрий (Лобачевский, Больяи и Гаусс). И нелегко и не сразу пришло осознание того, что теоремы геометрии как математической дисципли-ны не есть утверждения о свойствах реального физического пространства, в котором мы живем. Его свойства — предмет изучения физики , а не математики. Математик может работать с абстрактным пространством, потому что он сам наделя-ет его определенными свойствами. Физик имеет дело с ми-ром, который существует сам по себе, и его свойства не могут быть установлены умозрительно.
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
в физике определяются
в общем виде как фундам. структуры координации материальных объектов и их состояний:
система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния,
ориентацию и т. д.), образует пространство, а система отношений, отображающая
координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность,
длительность и т. д.), образует время. П. и в. являются организующими структурами
разл. уровней физ. познания и играют важную роль в межуровневых взаимоотношениях.
Они (или сопряжённые с ними конструкции) во многом определяют структуру (метрическую,
топологическую и т. д.) фундам. физ. теорий, задают структуру эмпирич. интерпретации
и верификации физ. теорий, структуру операциональных процедур (в основе к-рых
лежат фиксации пространственно-временных совпадений в измерит. актах, с учётом
специфики используемых физ. взаимодействий), а также организуют физ. картины
мира. К такому представлению вёл весь историч. путь концептуального развития.
В наиб. архаичных представлениях П. и в. вообще
не вычленялись из материальных объектов и процессов природы (в к-рой достаточно
мирно уживались как естественные, так и сверхъестественные персонажи): разл.
участки территории обитания наделялись разл. положит. и отрицат. качествами
и силами в зависимости от присутствия на них разл. сакральных объектов (захоронения
предков, тотемы, храмы и т. д.), а каждому движению было сопричастно своё время.
Время также членилось на качественно разл. периоды, благоприятные или зловредные
по отношению к жизнедеятельности древних социумов. Ландшафт и календарные циклы
выступали запёчатлённым мифом. В дальнейшем развитии мифологич. картина мира
стала функционировать в рамках циклич. времени; будущее всегда оказывалось возрождением
сакрального прошлого. На страже этого процесса стояла жёсткая идеология (обряды,
запреты, табу и т. д.), принципами к-рой нельзя было поступиться, ибо они были
призваны не допускать никаких новаций в этот мир вечных повторений, а также
отрицали историю и историч. время (т. е. линейное время). Такие представления
можно рассматривать как архаичный прообраз модели неоднородного и неизотропного
П. и в. Учитывая, что развитая мифология пришла к представлению о членении мира
на уровни (первоначально на Небо, Землю и Подземный мир, с последующим выяснением
"тонкой структуры" двух крайних уровней, напр. седьмое небо, круги
ада), можно дать более ёмкое определение П. и в. мифологич. картины мира: циклич.
структура времени и многослойный изоморфизм пространства (Ю. М. Лотман). Естественно,
это всего лишь совр. реконструкция, в к-рой П. и в. уже абстрагированы от материальных
объектов и процессов; что же касается человеческого познания, то оно к подобному
абстрагированию пришло не в архаичной мифологии, а в рамках последующих форм
обществ. сознания (монотеистич. религия, натурфилософия и т. д.).
Начиная с этого момента, П. и в. получают самостоят.
статус в качестве фундам. фона, на к-ром разворачивается динамика природных
объектов. Такие идеализированные П. и в. часто даже подвергались обожествлению.
В античной натурфилософии происходит рационализация мифо-религиозных представлений:
П. и в. трансформируются в фундам. субстанции, в первооснову мира. С этим подходом
связана субстанциальная концепция П. и в. Таковы, напр., пустота Демокрита или
топос (место) Аристотеля - это разл. модификации концепции пространства как
вместилища ("ящик без стенок" и т. д.). Пустота у Демокрита заполнена
ато-мистич. материей, а у Аристотеля материя континуальна и заполняет пространство
без разрывов - все места заняты. Т. о., аристотелево отрицание пустоты не означает
отрицания пространства как вместилища. Субстанциальная концепция времени связана
с представлением о вечности, некой неметризованной абс. длительности. Частное
эмпирич. время рассматривалось как движущийся образ вечности (Платон). Это время
получает числовую оформленность и метризуется с помощью вращения неба (или иных,
менее универсальных, периодич. природных процессов) в системе Аристотеля; здесь
время выступает уже не как фундам. субстанция, а как система отношений ("раньше",
"позже", "одновременно" и т. д.) и реализуется реляционная
концепция. Ей соответствует реляционная концепция пространства как система отношений
материальных объектов и их состояний.
Субстанциальная и реляционная концепции П. и
в. функционируют соответственно на теоретич. и эмпирич. (или умозрительном и
чувственнопостигаемом) уровнях натурфилософских и естественнонауч. систем. В
ходе человеческого познания происходит конкуренция и смена подобных систем,
что сопровождается существенным развитием и изменением представлений о П. и
в. Это достаточно чётко проявилось уже в античной
натурфилософии: во-первых, в отличие от бесконечной пустоты Демокрита, пространство
Аристотеля конечно и ограниченно, ибо сфера неподвижных звёзд пространственно
замыкает космос; во-вторых, если пустота Демокрита является началом субстанциально-пассивным,
лишь необходимым условием движения атомов, то эпос является началом субстанциально-активным
и любое место наделено своей специфич. силой. Последнее характеризует динамику
Аристотеля, на базе к-рой была создана геоцентрич. космологич. модель. Космос
Аристотеля чётко разделён на земной (подлунный) и небесный уровни. Материальные
объекты подлунного мира участвуют либо в прямолинейных естеств. движениях и
движутся к своим естеств. местам (напр., тяжёлые тела устремляются к центру
Земли), либо в вынужденных движениях, к-рые продолжаются, пока на них действует
движущая сила. Небесный мир состоит из эфирных тел, пребывающих в бесконечном
совершенном круговом естеств. движении. Соответственно в системе Аристотеля
была развита матем. астрономия небесного уровня и качеств. физика (механика)
земного уровня мира.
Ещё одно концептуальное достижение Древней Греции,
к-рое определило дальнейшее развитие представлений о пространстве (и времени),-
это геометрия Евклида, чьи знаменитые "Начала" были развиты в виде
аксиоматич. системы и справедливо рассматриваются как древнейшая ветвь физики
(А. Эйнштейн) и даже как космологич. теория [К. Поппер (К. Popper), И. Ла-катос
(I. Lakatos)]. Картина мира Евклида отлична от аристотелевой и включает в себя
представление об однородном и бесконечном пространстве. Евклидова геометрия
(и оптика) не только сыграла роль концептуальной основы классич. механики, определив
такие фундам. идеализированные объекты, как пространство, абсолютно твёрдый
(самоконгруэнтный) стержень, геометризованный световой луч и т. д., но и явилась
плодотворным матем. аппаратом (языком), с помощью к-рого были разработаны основы
классич. механики. Начало классич. механики и сама возможность её построения
были связаны с коперниканской революцией 16 в., в ходе к-рой гелиоцентрич. космос
предстал как единая конструкция, без деления на качественно отличные небесный
и земной уровни.
Дж. Бруно (G. Bruno) разрушил ограничивающую
небесную сферу, поместил космос в бесконечное пространство, лишил его центра,
заложил основу однородного бесконечного пространства, в рамках к-рого усилиями
блестящей плеяды мыслителей [И. Кеплер (I. Kepler), Р. Декарт (R. Descartes),
Г. Галилей (G. Galilei), И. Ньютон (I. Newton) и др.] была развита классич.
механика. Уровня систематич. разработки она достигла в знаменитых "Математических
началах натуральной философии" Ньютона, к-рый разграничивал в своей системе
два типа П. и в.: абсолютные и относительные.
Абсолютное, истинное, матем. время само по себе
и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает
равномерно и иначе называется длительностью. Абс. пространство по самой своей
сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остаётся всегда одинаковым
и неподвижным.
Такие П. и в. оказались парадоксальными с точки
зрения здравого смысла и конструктивными на теоретич. уровне. Напр., концепция
абс. времени парадоксальна потому, что, во-первых, рассмотрение течения времени
связано с представлением времени как процесса во времени, что логически неудовлетворительно;
во-вторых, трудно принять утверждение о равномерном течении времени, ибо это
предполагает, что существует нечто контролирующее скорость потока времени. Более
того, если время рассматривается "без всякого отношения к чему-либо внешнему",
то какой смысл может иметь предположение, что оно течёт неравномерно?
Если же подобное предположение бессмысленно,
то какое значение имеет условие равномерности течения? Конструктивный смысл
абсолютных П. и в. стал проясняться в последующих логико-матем. реконструкциях
ньютоновой механики, к-рые получили своё относит. завершение в аналитич. механике
Лагранжа [можно отметить также реконструкции Д-Аламбера (D"Alambert), У. Гамильтона
(W. Hamilton) и др.], в к-рой был полностью элиминирован геометризм "Начал"
и механика предстала как раздел анализа. В этом процессе на первый план стали
выступать представления о законах сохранения, принципах симметрии, инвариантности
и т. д., к-рые позволили рассмотреть классич. физику с единых концептуальных
позиций. Была установлена связь осн. законов сохранения с пространственно-временной
симметрией [С. Ли (S. Lie), F. Клейн (F. Klein), Э. Нётер (Е. Noether)]:
сохранение таких фундам. физ. величин, как энергия, импульс и угл. момент, выступает
как следствие того, что П. и в. изотропны и однородны. Абсолютность П. и в.,
абс. характер длины и временных интервалов, а также абс. характер одновременности
событий получили чёткое выражение в Галилея принципе относительности
, к-рый
можно сформулировать как принцип ковариантности законов механики относительно
Галилея преобразований. Т. о., во всех инерциальных системах отсчёта равномерно
течёт единое непрерывное абс. время и осуществляется абс. синхронизм (т. е.
одновременность событий не зависит от системы отсчёта, она абсолютна), основой
к-рого могли выступать лишь дальнодействующие мгновенные силы - эта роль в ньютоновой
системе отводилась тяготению (всемирного тяготения закон
).Однако статус
дальнодействия определяется не природой гравитации, а самой субстанциальной
природой П. и в. в рамках механич. картины мира.
От абс. пространства Ньютон отличал протяжённость
материальных объектов, к-рая выступает как их осн. свойство и есть пространство
относительное. Последнее является мерой абс. пространства и может быть представлено
как множество конкретных инерциальных систем отсчёта, находящихся в относит.
движении. Соответственно и относит. время есть мера продолжительности, употребляемая
в обыденной жизни вместо истинного матем. времени,- это час, день, месяц, год.
Относит. П. и в. постигаемы чувствами, но они являются не перцептуальными, а
именно эмпирич. структурами отношений между материальными объектами и событиями.
Следует отметить, что в рамках эмпирич. фиксации были вскрыты нек-рые фундам.
свойства П. и в., не отражённые на теоретич. уровне классич. механики, напр.
трёхмерность пространства или необратимость времени.
Классич. механика до конца 19 в. определяла осн.
направление науч. познания, к-рое отождествлялось с познанием механизма явлений,
с редукцией любых явлений к механич. моделям и описаниям. Абсолютизации были
подвергнуты и механич. представления о П. и в., к-рые были возведены на "Олимп
априорности". В философской системе И. Канта (I. Kant) П. и в. стали рассматриваться
как априорные (доопытные, врождённые) формы чувственного созерцания. Большинство
философов и естествоиспытателей вплоть до 20 в. придерживались этих априористских
воззрений, однако уже в 20-х гг. 19 в. были развиты разл. варианты неевклидовых
геометрий [К. Гаусс (С. Gauss), H. И. Лобачевский, Я. Больяй (J. Bolyai) и др.],
что связано с существенным развитием представлений о пространстве. Математиков
давно интересовал вопрос о полноте аксиоматики евклидовой геометрии. В этом
отношении наиб. подозрения вызывала аксиома о параллельных. Был получен поразительный
результат: оказалось, что можно развить непротиворечивую систему геометрии,
отказавшись от аксиомы о параллельных и допустив существование неск. прямых,
параллельных данной и проходящих через одну
точку. Представить себе такую картину крайне трудно, но учёные уже усвоили гносеологич.
урок коперниканской революции - наглядность может быть связана с правдоподобностью,
но не обязательно с истиной. Поэтому хотя Лобачевский и называл свою геометрию
воображаемой, но поставил вопрос об эмпирич. определении евклидова или неевклидова
характера физ. пространства. Б. Риман (В. Riemann) обобщил понятие пространства
(куда как частные случаи вошли евклидово пространство и всё множество неевклидовых
пространств), положив в его основу представление о метрике,- пространство есть
трёхмерное многообразие, на к-ром можно аналитически задать разл. аксиоматич.
системы, и геометрия пространства определяется с помощью шести компонент метрического
тензора
, заданных как ф-ции координат. Риман ввёл понятие кривизны
пространства,
к-рое может иметь положит., нулевое и отрицат. значения. В общем случае кривизна
пространства не обязательно должна быть постоянной, а может меняться от точки
к точке. На таком пути были обобщены не только аксиома о параллельных, но и
др. аксиомы евклидовой геометрии, что привело к развитию неархимедовых, непаскалевых
и др. геометрий, в к-рых пересмотру были подвергнуты многие фундам. свойства
пространства, напр. его непрерывность, и т. д. Обобщению было подвергнуто также
представление о размерности пространства: была развита теория N
-мерных
многообразий и стало возможным говорить даже о бесконечномерных пространствах.
Подобная разработка мощного матем. инструментария,
существенно обогатившего представления о пространстве, сыграла важную роль в
развитии физики 19 в. (многомерные фазовые пространства, экстремальные принципы
и т. д.), для к-рой были характерны значит. достижения и в концептуальной сфере:
в рамках термодинамики получило явное выражение [У. Томсон (W. Thomson), Р.
Клаузиус (R. Clausius) и др.] представление о необратимости времени - закон
возрастания энтропии
(второе начало термодинамики), а с электродинамикой
Фарадея - Максвелла в физику вошли представления о новой реальности - поле,
о существовании привилегиров. системы отсчёта, к-рая неразрывно связана с материализов.
аналогом абс. пространства Ньютона, с неподвижным эфиром и т. д. Однако неизмеримо
более плодотворными оказались матем. новации 19 в. в революц. преобразованиях
физики 20 в.
Революция в физике 20 в. ознаменовалась разработкой
таких неклассич. теорий (и соответствующих физ. исследовательских программ),
как частная (специальная) и общая теории относительности (см. Относительности
теория. Тяготение), квантовая механика, квантовая теория поля
, релятивистская
космология и др., для к-рых характерно существенное развитие представлений о
П. и в.
Теория относительности Эйнштейна была создана
как электродинамика движущихся тел, в основу к-рой были положены новый принцип
относительности (относительность обобщалась с механич. явлений на явления эл--магн.
и оптические) и принцип постоянства и предельности скорости света с
в
пустоте, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Эйнштейн показал,
что операциональные приёмы, с помощью к-рых устанавливается физ. содержание
евклидова пространства в классич. механике, оказались неприменимыми к процессам,
протекающим со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Поэтому он начал
построение электродинамики движущихся тел с определения одновременности, используя
световые сигналы для синхронизации часов. В теории относительности понятие одновременности
лишено абс. значения и становится необходимым развить соответствующую теорию
преобразования координат (х, у, z
)и времени (t
) при переходе
от покоящейся системы отсчёта к системе,
равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой со скоростью u
. В процессе развития этой теории Эйнштейн пришёл к формулировке Лоренца
преобразований :
Была выяснена необоснованность двух фундам. положений
о П. и в. в классич. механике: промежуток времени между двумя событиями и расстояние
между двумя точками твёрдого тела не зависят от состояния движения системы отсчёта.
Поскольку скорость света одинакова во всех системах отсчёта, то от этих положений
приходится отказаться и сформировать новые представления о П. и в. Если преобразования
Галилея классич. механики основывались на допущении существования операциональных
сигналов, распространяющихся с бесконечной скоростью, то в теории относительности
операциональные световые сигналы обладают конечной макс. скоростью с и этому
соответствует новый сложения скоростей закон
,в к-ром в явной форме запечатлена
специфика предельно быстрого сигнала. Соответственно сокращение длины и замедление
времени носят не динамич. характер [как это представляли X. Лоренц (Н. Lorentz)
и Дж. Фицджеральд (G. Fitzgerald) при объяснении отрицат. результата Майкелъсона
опыта] и не являются следствием специфики субъективного наблюдения, а выступают
элементами новой релятивистской концепции П. и в.
Абс. пространство, единое время для разл. систем
отсчёта, абс. скорость и т. д. потерпели фиаско (даже от эфира отказались),
были выдвинуты их относит. аналоги, что, собственно, и определило назв. теории
Эйнштейна - "теория относительности". Но новизна пространственно-временных
представлений этой теории не исчерпывалась выявлением относительности длины
и временного промежутка,- не менее важным было выяснение равноправности пространства
и времени (они равноправно входят в преобразования Лоренца), а в дальнейшем
- и инвариантности пространственно-временного интервала
.Г. Минковский
(Н. Minkowski) вскрыл органич. взаимосвязь П. и в., к-рые оказались компонентами
единого четырёхмерного континуума (см. Минковского пространство-время
).Критерий
объединения относит. свойств П. и в. в абс. четырёхмерное многообразие характеризуется
инвариантностью четырёхмерного интервала (ds): ds
2 = c 2 dt 2
- dx 2
- dy 2
- dz
2 .
Соответственно Минковский вновь переносит акцент с относительности на абсолютность
("постулат абс. мира"). В свете этого положения становится ясным
несостоятельность часто встречающегося утверждения, что при переходе от классич.
физики к частной теории относительности произошла смена субстанциальной (абсолютной)
концепции П. и в. на реляционную. В действительности имел место иной процесс:
на теоретич. уровне произошла смена абс. пространства и абс. времени Ньютона
на столь же абсолютное четырёхмерное пространственно-временное многообразие
Минковского (это субстанциальная концепция), а на эмпирич. уровне на смену относит.
пространству и относит. времени механики Ньютона пришли реляционное П. и в.
Эйнштейна (реляционная модификация атрибутивной концепции), основанные на совершенно
иной эл--магн. операциональности.
Частная теория относительности была лишь первым
шагом, ибо новый принцип относительности был приложим лишь к инерциальным системам
отсчёта. След. шагом была попытка Эйнштейна распространить этот принцип на системы
равноускоренные и вообще на весь круг неинерциальных систем отсчёта - так родилась
общая теория относительности. По Ньютону, неинерци-альные системы отсчёта движутся
ускоренно относительно абс. пространства. Ряд критиков концепции абс.
пространства [напр., Э. Max (E. Mach)] предложили
рассматривать такое ускоренное движение по отношению к горизонту удалённых звёзд.
Тем самым наблюдаемые массы звёзд становились источником инерции. Эйнштейн дал
иное толкование этому представлению, исходя из принципа эквивалентности, согласно
к-рому неинерциальные системы локально неотличимы от поля тяготения. Тогда если
инерция обусловлена массами Вселенной, а поле сил инерции эквивалентно гравитац.
полю, проявляющемуся в геометрии пространства-времени, то, следовательно, массы
определяют и саму геометрию. В этом положении чётко обозначился существенный
сдвиг в трактовке проблемы ускоренного движения: принцип Маха об относительности
инерции трансформирован Эйнштейном в принцип относительности геометрии пространства-времени.
Принцип эквивалентности носит локальный характер, но он помог Эйнштейну сформулировать
осн. физ. принципы, на к-рых базируется новая теория: гипотезы о геометрич.
природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.
Кроме этого, Эйнштейн выдвинул ряд матем. гипотез, без к-рых невозможно было
бы вывести гравитац. ур-ния: пространство-время четырёхмерно, его структура
определяется симметричным метрич. тензором, ур-ния должны быть инвариантными
относительно группы преобразований координат. В новой теории пространство-время
Минковского обобщается в метрику искривлённого пространства-времени Римана:
где -
квадрат
расстояния между точками
и- дифференциалы
координат этих точек, а-
нек-рые ф-ции координат, составляющие фундам, метрич. тензор, и определяют геометрию
пространства-времени. Принципиальная новизна подхода Эйнштейна к пространству-времени
заключается в том, что ф-ции
являются не только компонентами фундам. метрич. тензора, ответственного за геометрию
пространства-времени, но одновременно и потенциалами гравитац. поля в осн. ур-нии
общей теории относительности: 
=
-(8pG
/с 2),
где - тензор
кривизны, R
- скалярная кривизна,-
метрич. тензор,
- тензор энергии-импульса, G
- гравитационная
постоянная
. В этом ур-нии выявлена связь материи с геометрией пространства-времени.
Общая теория относительности получила блестящее
эмпирич. подтверждение и послужила основой последующего развития физики и космологии
на базе дальнейшего обобщения представлений о П. и в., выяснения их сложной
структуры. Во-первых, сама операция геометризации тяготения породила целое направление
в физике, связанное с геометризованными едиными теориями поля. Осн. идея: если
искривление пространства-времени описывает гравитацию, то введение более обобщённого
риманова пространства с повышенной размерностью, с кручением, с многосвязностью
и т. д. даст возможность для описания иных полей (т. н. градиент-но-инвариантная
теория Вейля, пятимерная Калуцы
- Клейна теория
и др.). В 20-30-е
гг. обобщения пространства Римана затрагивали в основном метрич. свойства пространства-времени,
однако в дальнейшем речь пошла уже о пересмотре топологии [геометродинамика
Дж. Уилера (J. Wheeler)], а в 70-80-е гг. физики пришли к выводу, что калибровочные
поля
глубоко связаны с геометрич. концепцией связности
на расслоённых
пространствах (см. Расслоение
-)на этом пути достигнуты впечатляющие
успехи, напр. в единой теории эл--магн. и слабого взаимодействий - теории электрослабых
взаимодействий
Вайнберга - Глэшоу - Салама (S. Weinberg, Sh. L.Glashaw,
A. Salam), к-рая построена в русле обобщения квантовой теории поля.
Общая теория относительности является основой
совр. релятивистской космологии. Непосредственное применение общей теории относительности
ко Вселенной даёт неимоверно сложную картину
космич. пространства-времени: материя во Вселенной сосредоточена в основном
в звёздах и их скоплениях, к-рые распределены неравномерно и соответствующим
образом искривляют пространство-время, оказывающееся неоднородным и неизотропным.
Это исключает возможность практич. и матем. рассмотрения Вселенной как целого.
Однако ситуация меняется по мере продвижения к крупномасштабной структуре пространства-времени
Вселенной: распределение скоплений галактик оказывается в среднем изотропным,
реликтовое излучение характеризуется однородностью и т. д. Всё это оправдывает
введение космологич. постулата об однородности и изотропности Вселенной и, следовательно,
понятия мирового П. и в. Но это не абс. П. и в. Ньютона, к-рые, хотя тоже были
однородными и изотропными, но в силу евклидова характера имели нулевую кривизну.
В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности
влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства:
с нулевой, отрицат. и положит. кривизной. Соответственно в космологии был поставлен
очень важный вопрос: конечна или бесконечна Вселенная?
Эйнштейн столкнулся с этой проблемой при попытке
построить первую космологич. модель и пришёл к выводу, что общая теория относительности
несовместима с допущением бесконечности Вселенной. Он разработал конечную и
статичную модель Вселенной - сферич. Вселенная Эйнштейна. Речь идёт не о привычной
и наглядной сфере, к-рую можно часто наблюдать в обыденной жизни. Напр., мыльные
пузыри или мячи сферичны, но они являются образами двумерных сфер в трёхмерном
пространстве. А Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое
в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным.
Такая модель существенно обогащает наши представления о пространстве. В евклидовом
пространстве бесконечность и неограниченность были единым нерасчленённым понятием.
На самом деле это разные вещи: бесконечность является метрич. свойством, а неограниченность
- топологическим. У Вселенной Эйнштейна нет границ, и она является всеобъемлющей.
Более того, сферич. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна
во времени. Но, как выяснилось, стационарность вступала в противоречие с общей
теорией относительности. Стационарность пытались спасти разл. методами, что
повлекло развитие ряда оригинальных моделей Вселенной, однако решение было найдено
на пути перехода к нестационарным моделям, к-рые впервые были развиты А. А.
Фридманом. Метрич. свойства пространства оказались изменяющимися во времени.
В космологию вошла диалектич. идея развития. Выяснилось, что Вселенная расширяется
[Э. Хаббл (Е. Hubble)]. Это вскрыло совершенно новые и необычные свойства мирового
пространства. Если в классич. пространственно-временных представлениях разбегание
галактик интерпретируется как их движение в абс. ньютоновом пространстве, то
в релятивистской космологии это явление оказывается результатом нестационарности
метрики пространства: не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а
расширяется само пространство. Если экстраполировать это расширение "вспять"
во времени, то получается, что наша Вселенная была "стянута в точку"
прибл. 15 млрд. лет назад. Совр. наука не знает, что происходило в этой нулевой
точке t
= О, когда материя была спрессована в критич. состояние с бесконечной
плотностью и бесконечной была кривизна пространства. Бессмысленно задавать вопрос,
что было до этой нулевой точки. Такой вопрос осмыслен D применении к ньютонову
абс. времени, а в релятивистской космологии работает иная модель времени, в
к-рой в момент t
=0 возникает не только стремительно расширяющаяся (или
раздувающаяся) Вселенная (Большой взрыв), но и само время. Совр. физика всё
ближе подходит в своём анализе к "нулевому
моменту", реконструируются реалии, имевшие место через секунду и даже
доли секунды после Большого взрыва. Но это уже область глубокого микромира,
где не работает классич. (неквантовая) релятивистская космология, где вступают
в силу квантовые явления, с к-рыми связан другой путь развития фундам. физики
20 в. со своими специфич. представлениями о П. и в.
В основе этого пути развития физики лежало открытие
М. Планком (М. Planck) дискретности процесса испускания света: в физике появился
новый "атом" - атом действия, или квант действия, эрг·с,
к-рый стал новой мировой константой. Мн. физики
[напр., А. Эддингтон (A. Eddington)] с момента появления кванта подчёркивали
загадочность его природы: он неделим, но не имеет границ в пространстве, он
как бы заполняет собой всё пространство, и не ясно, какое место следует отнести
ему в пространственно-временной схеме мироздания. Место кванта было чётко выяснено
в квантовой механике, вскрывшей закономерности атомного мира. В микромире становится
бессодержательным понятие пространственно-временной траектории частицы (обладающей
как корпускулярными, так и волновыми свойствами), если под траекторией понимается
классич. образ линейного континуума (см. Причинность
).Поэтому в первые
годы развития квантовой механики её создатели делали осн. упор на вскрытие того
факта, что она не даёт описания движения атомных частиц в пространстве и времени
и ведёт к полному отказу от привычного пространственно-временного описания.
Выявилась необходимость пересмотра пространственно-временных представлений и
лапласов-ского детерминизма классич. физики, ибо квантовая механика является
принципиально статистич. теорией и ур-ние Шрёдингера описывает амплитуду вероятности
нахождения частицы в данной пространственной области (расширяется и само понятие
пространственных координат в квантовой механике, где они изображаются операторами)
. В квантовой механике было вскрыто наличие принципиального ограничения точности
при измерениях на малых расстояниях параметров микрообъектов, обладающих энергией
порядка той, к-рая вносится в процессе измерения. Это обусловливает необходимость
наличия двух дополняющих друг друга эксперим. установок, к-рые в рамках теории
формируют два дополнительных описания поведения микрообъектов: пространственно-временное
и импульс-но-энергетическое. Любое повышение точности определения пространственно-временной
локализации квантового объекта сопряжено с повышением неточности в определении
его импульсно-энергетич. характеристик. Неточности измеряемых физ. параметров
образуют неопределённостей соотношения :
. Важно, что указанная дополнительность содержится и в самом матем. формализме
квантовой механики, определяя дискретность фазового пространства.
Квантовая механика была положена в основу бурно
развивающейся физики элементарных частиц, в к-рой представления о П. и в. столкнулись
с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является сложной многоуровневой
системой, на каждом уровне к-рой господствуют специфич. виды взаимодействий
и характерные специфич. свойства пространственно-временных отношений. Область
доступных в эксперименте микроскопич. интервалов условно можно поделить на четыре
уровня: уровень молекулярно-атомных явлений (10 -6 см < Dx
<
10 -11 см); уровень релятивистских квантовоэлектродинамич.
процессов; уровень элементарных частиц; уровень ультрамалых масштабов (
Dx
8
10 -16 см и Dt
8
10 -26
с - эти масштабы доступны в опытах с космич. лучами). Теоретически можно ввести
и значительно более глубокие уровни (лежащие далеко за пределами возможностей
не только сегодняшних, но и завтрашних экспериментов),
с к-рыми связаны такие концептуальные новации, как флуктуация метрики, изменения
топологии, "пенообразная структура" пространства-времени на расстояниях
порядка планковской длины
(Dx
10 -33
см). Однако достаточно решительный пересмотр представлений о П. и в. потребовался
на уровнях, вполне доступных совр. эксперименту при развитии физики элементарных
частиц. Уже квантовая электродинамика столкнулась со многими трудностями именно
потому, что была связана с заимствованными из классич. физики понятиями, основанными
на концепции пространственно-временной непрерывности: точечность заряда, локальность
поля и т. д. Это повлекло за собой существенные осложнения, связанные е бесконечными
значениями таких важных величин, как масса, собств. энергия электрона и т. д.
(ультрафиолетовые расходимости
).Эти трудности пытались преодолеть введением
в теорию представления о дискретном, квантованном пространстве-времени. Первые
разработки 30-х гг. (В. А. Ам-барцумян, Д. Д. Иваненко) оказались неконструктивными,
ибо не удовлетворяли требованию релятивистской инвариантности, а трудности квантовой
электродинамики были решены с помощью процедуры перенормировки :
малость
константы эл--магн. взаимодействий (а = 1/137) позволила использовать ранее
разработанную теорию возмущений. Но в построении квантовой теории др. полей
(слабого и сильного взаимодействий) эта процедура оказалась не работающей, и
выход стали искать на пути ревизии концепции локальности поля, его линейности
и т. д., что опять наметило возврат к идее существования "атома"
пространства-времени. Это направление получило новый импульс в 1947, когда X.
Снайдер (Н. Snyder) показал возможность существования релятивистски инвариантного
пространства-времени, в к-ром содержится естеств. единица длины l
0 .
Теория квантованного П. и в. получила развитие в работах В. Л. Авербаха, Б.
В. Медведева, Ю. А. Гольфанда, В. Г. Кадышевского, Р. М. Мир-Касимова и др.,
к-рые стали приходить к выводу, что в природе существует фундаментальная
длина l
0 ~ 10 -17 см. Дж. Чу (G. Chew), Э. Циммерман
(Е. Zim-mermann) и др. экстраполировали представление о дискретности пространства-времени
в гипотезу о макро-сконич. природе П. и в. Речь стала идти не о специфике дискретной
структуры П. и в. в физике элементарных частиц, а о наличии некой границы в
микромире, за к-рой вообще нет ни пространства, ни времени. Весь этот комплекс
идей продолжает привлекать внимание исследователей, но существенный прогресс
был достигнут Ч. Янгом (Ch. Yang) и Р. Миллсом (R. Mills) путём неабелева обобщения
квантовой теории поля (Янга
- Миллса поля)
, в рамках к-рого удалось
не только реализовать процедуру перенормировки, но и приступить к реализации
программы Эйнштейна - к построению единой теории поля. Создана единая теория
электрослабых взаимодействий, к-рая в пределах расширенной симметрии U
(1)
x SU
(2) x SU
(3) c
объединяется с квантовой
хромодинамикой
(теорией сильных взаимодействий). В этом подходе произошёл
синтез ряда оригинальных идей и представлений, напр. гипотезы кварков
, цветовой
симметрии кварков SU(3) c
, симметрии слабых и эл--магн. взаимодействий
SU
(2) x U
(1), локально калибровочного и неабелевого характера
этих симметрии, существования спонтанно нарушенной симметрии и перенормируемости.
Причём требование локальности калибровочных преобразований устанавливает ранее
отсутствующую связь между динамич. сим-метриями и пространством-временем. В
настоящее время разрабатывается теория, объединяющая все фундам. физ. взаимодействия,
включая гравитационные. Однако выяснилось, что в этом случае речь идёт о пространствах
10, 26 и даже 605 размерностей. Исследователи надеются, что чрезмерный избыток
размерностей в процессе компактификации удастся "замкнуть" в области
планковских масштабов и в теорию макромира войдёт
лишь привычное четырёхмерное пространство-время.
Что же касается вопросов о структуре пространства-времени глубокого микромира
или о первых мгновениях Большого взрыва, то ответы на них будут найдены лишь
в физике 3-го тысячелетия.
Лит.:
Фок В. А., Теория пространства,
времени и тяготения, 2 изд., М., 1961; Пространство и время в современной физике,
К., 1968; Грюнбауи А., Философские проблемы пространства и времени, пер. с англ.,
М., 1969; Чуди-нов Э. М., Пространство и время в современной физике, М., 1969;
Блохинцев Д. И., Пространство и время в микромире, 2 изд., М., 1982; Мостепаненко
А. М., Пространство-время и физическое познание, М., 1975; Хокинг С., Эллис
Д ж.. Крупномасштабная структура пространства-времени, пер. с англ., М., 1977;
Девис П., Пространство и время в современной картине Вселенной, пер. с англ.,
М., 1979; Барашенков B.C., Проблемы субатомного пространства и времени, М.,
1979; Ахундов М. Д., Пространство и время в физическом познании, М., 1982; Владимиров
Ю. С., Мицкевич Н. В., Xорски А., Пространство, время, гравитация,
М., 1984; Рейхенбах Г., Философия пространства и времени, пер. с англ., М.,
1985; Владимиров Ю. С., Пространство-время: явные и скрытые размерности, М.,
1989.
М. Д. Ахундов .
Мурманский Государственный педагогический институт Физико-математический факультет Кафедра физики по теме II Гнатюк Мурманск 7 Диалектический материализм исходит из того, что в мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181 Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными формами существования материи.Классическая физика рассматривала пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических объектов.
Однако развитие неклассической физики физики элементарных частиц, квантовой физики и др. выдвинуло новые представления о пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно связаны между собой. Возникли разные концепции согласно одним, в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного пространства, а физические объекты являются только проявлениями этого пространства.Согласно другим, пространство и время присущи лишь макроскопическим объектам.
Как видно, современная физика настолько разрослась и потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо противоположные утверждения о природе и статусе пространства и времени. Этот факт требует тщательного исследования, так как может показаться, что представления современной физики противоречат фундаментальным положениям диалектического материализма.Правда, следует отметить, что в современной физике речь идет о пространстве и времени как о физических понятиях, как о конкретных математических структурах, наделенных соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациями в рамках оределнных теорий, и что выяснение макроскопичности подобных структур не имеет прямого отношения к положению диалектического материализма об универсальности пространства и времени, так как в этом речь идет уже о философских категориях.
Начинать исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных представлений вплоть до наших дней. 1 Аристотеля. Атомистическая доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом.
Согласно этой доктрины, вс природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи атомов, которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве.Атомы бытие и пустота небытие являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности времени.
Атомы двигаются в пустоте бесконечное время. Бесконечному пространству соответствует бесконечное время. Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты.Множество атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один большой атом, исчерпывающий собой мир. Сама же концепция была основана на атомах, которые в сочетании с пустотой образуют вс содержание реального мира. В основе этих атомов лежат амеры пространственный минимум материи.
Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениями современной физики о кварках.Характеризуя систему Демокрита как теотию структурных уровней материи - физического атомы и пустота и математического амеры, мы сталкиваемся с двумя пространствами непрерывное физическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах протяжения материи.
В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур рассмотривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени.Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один атом пространства за один атом времени.
Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа пространства и времени. В их представлениях были реализованы 4 субстанциальная и атрибутивная концепции. Аристотель начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени.Дальнейший анализ времени ведтся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения.
Аристотель показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть и само движение. В такой модели времени реализована реляционная концепция. Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью любого периодического движения, но, для того чтобы полученная величина была универсальной, необходимо использовать движение с максимальной скоростью.В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.
Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней космоса Аристотеля.Его космологическая модель функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на земной и небесный уровни.
Земной состоит из четырх стихий - земли, воды, воздуха и огня небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Эта модель просуществовала около двух тысячелетий. Однако в системе Аристотеля были и другие положения, которые оказались более жизнеспособными и во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени.Речь идт о логическом учении Аристотеля на основе которого были разработаны первые научные теории, в частности геометрия Евклида.
В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами встечаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые считались решнными. В таком подходе представлена модель теории, которая работает и сегодня аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами.Геометрия Евклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов.
Огромной заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории тврдого тела и световых лучей. Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины мира как в эмпирическом, так и в теоретико- логическом плане.С помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были революционные представления Н. Коперника, который развил гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории Коперника можно считать открытия И.Кеплера 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. 3. Квадраты времн обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.
Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания концепций пространства и инерции у Галилея признатся пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошл до идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение. Для Декарта не характерен осознанный и систематический учт относительности движения.
Его представления ограничены рамками геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления изменению.Для Ньютона же характерна динамическая трактовка массы, и в его системе это понятие сыграло основопологающую роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя, ибо это требуется неизменностью божества. То же самое достоверно для Ньютона вследствие массы тела. Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают сво физическое содержание с помощью аксиом через законы движения.
Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени.
У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов. После выхода в свет Начал Ньютона физика начала активно развиваться, причм этот процесс происходил на основе механистического подхода.Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется.
Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной тврдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло в разрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.Революция в физике началась открытием Рмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 30 кмс. В 1728 году Брэдри открыл явление звздной аберрации.
На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника иили примника. О.Френель показал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона 1881г. полностью это опроверг. Таким образом возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления вс хуже сводились к механике.Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности. Ареной этих законов является вс пространство, а не одни точки, в которых находится вещество или заряды, как это принимается для механических законов.
Так возникла электромагнитная теория материи.Физики пришли к выводу о существовании дискретных элементарных объектов в рамках электромагнитной картины мира электронов.
Основные достижения в области исследования электрических и оптических явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца.Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашл выход, который спасал абсолютное пространство и время классической механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона, правда ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и ввести свои собственные, основанные на неинвариантности времени. tt-vxc2, где v - скорость движения системы относительно эфира, а х - координата той точки в движущейся системе, в которой производится измерение времени.
Время t он назвал локальным временем. На основе этой теории виден эффект изменения размеров тел L2L11v22c2. Сам Лоренц объяснил это опираясь на свою электронную теорию тела испытывают сокращение вследствие сплющивания электронов. Терия Лоренца исчерпала возможности классической физики.Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени.
Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна. 3 2.1. Специальная теория относительности. В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира.Отрицательные результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики.
Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной. Возникает необходимость развить теорию преобразования координат и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой.
Эйнштейн пришел к формулировке преобразований Лоренца где x, y, z, t - координаты в одной системе, x, y, z, t - в другой.
Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяжнности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчта В специальной теории относительности функционирует новый закон сложения скоростей, из которого вытекает невозможность превышения скорости света.Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующех теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией.
В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца оказываются связанными с новыми свойствами пространства и времени с относительностью длины и временного промежутка, с равноправностью пространства и времени, с инвариантностью пространственно - временного интервала.Важный вклад в понятие равноправность внс Г. Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырхмерного континуума.
Разделение на пространство и время не имеет смысла. Пространство и время в специальной теории относительности трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако было бы ошибочным представлять пространственно - временную структуру новой теории как проявление одной лишь концепции относительности. Введение Минковским четырхмерного формализма помогло выявить аспекты абсолютного мира, заданного в пространственно - временном континууме.В теории относительности, как и в классической механике, существуют два типа пространства и времени, которые реализуют субстанциальную и атрибутивную концепции.
В классической механике абсолютные пространство и время выступали в качестве структуры мира на теоретическом уровне. В специальной теории относительности аналогичным статусом обладает единое четырхмерное пространство - время.Переход от классической механики к специальной теории относительности можно представить так 1 на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству - времени, 2 на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени Эйнштейна.
Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект.
Новая теория - общая теория относительности - строилась путм построения обобщнного пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщнной теории с последующей е эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии.
Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым.Речь идет о следующем положении специальной теории относительности двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определнной длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени.
Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определнной величины, независимо от места и времени.Следует отметить, что в общей теории относительности находит наиболее полное воплощение представление диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи.
Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации.
Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порожднного равноускоренным движением. Принцип эквивалентности носит локольный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности.Он помог сформулировать основные принципы, на котрых базируется новая теория гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.
Кроме них Эйнштейн выдвинул ряд матаматических гипотез, без которых невозможно было бы вывести гравитационные уравнения пространство четырхмерно, его структура опрелеляется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат. В работе Относительность и проблема пространства Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности.Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное тому, что заполняет пространство и что зависит от координат.
Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля. Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам.Теория предсказала и объяснила три общелелятивистских эффекта были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий. Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей теории относительности геометризацию гравитации и релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.
Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской геометрии. Однако данное направление не привело к успеху.
Были попытки ввести пространства более высокой размерности. чем четырхмерное пространственно-временное многообразие Римана Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын - бесконечное многообразие. Однако таким путм решить проблему не удавалось.На пути пересмотра евклидовой топологии пространства - времени строится современная единая теория поля - квантовая геометродинамика Дж. Уитлера.
В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводится понятие суперпространства, как арены действия геометродинамики.При таком подходе каждому взаимодействию соответствует своя геометрия, и единство этих теорий заключается в существовании общего принципа, по которому порожнаются данные геометрии и расслаиваются соответствующие пространства.
Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещ более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные частицы в их единстве и гармонии. Доэйнштейновские представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени.Они были заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру Евклидово.
Такая модель казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия.Таких положений в классической космологии четыре стационарность Вселенной, е однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.
Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырхмерного пространства - времени.Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной.
Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведт к признанию е однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну.В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.
Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала е бесконечность.Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.
Вселенная Эйнштейна представляет собой трхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться.Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввл в уравнения теории новый член с помощью которого во Вселенную вводились новые силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.
Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная расширяется.Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра.
Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V HL, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Всвязи с этим встают две важные проблемы проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние разбегание галактик - наглядное обозначение раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики.Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Вторая проблема связана с представлением о начале времени.
Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t0, когда произошл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбург считает, что Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии, которое отвечает началу времени, понятие времени до этого начала лишено физического, да и любого другого смысла.В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчта.
Это положение особо чтко отразилось в представлениях о чрных дырах. Речь идет об одном из наиболее интересных явлений современной космологии - гравитационном коллапсе. С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают Расширение Вселенной во многих отношениях подобно коллапсу звезды, если не считать того, что направление времени при расширении обратное.Как начало Вселенной, так и процессы в чрных дырах связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда условная сфера с радиусом r 2GMc2, где G - гравитационная постоянная, М - масса.
Независимо от того, в каком состоянии космический объект переск соответствующую сферу Шварцшильда, далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного коллапса.После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время звезда потухает для удалнного наблюдателя, и в пространстве образуется чрная дыра. Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится за бесконечностью во времени.
Таким образом, оказалось, что пространство - время в общей теории относительности содержит сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть концепцию пространственно - временного континуума как некоего дифференцируемого гладкого многообразия.Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку r - 0, когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Это вызывает обоснованное сомнение.
Дж. Уитлер считает, что в заключительной стадии гравитацинного коллапса вообще не существует пространства - времени. С. Хокинг пишет Сингулярность - это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства - времени.
Этих представлений придерживаются большинство современных космологов. На заключительных стадиях гравитационного коллапса вблизи сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они должны играть на этом уровне доминирующую роль и могут вообще не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области происходят субмикроскопические флуктуации материи, которые и составляют основу глубокого микромира.Вс это свидетельствует о том, что понять мегамир невозможно без понимания микромира. 4. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА. Пространственно-временные представления квантовой механики.
Создание Эйнштейном специальной теории относительности не исчерпывает возможноси взаимодействия механики и электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было выявлено противоречие как в истолковании экспериментальных данных, так и в теоретической согласованности этих выводов.Это повлекло за собой рождение квантовой механики.
Она положила начало неклассической физике, открыла дорогу к познанию микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманию процессов в недрах звзд и начале Вселенной. В конце XIX века физики начали исследовать, как распределяется излучение по всему спектру частот.В тот период физики задались также целью выяснить природу взаимосвязи энергии излучения и температуры тела. М. Планк пытался решить эту проблему с помощью методов классической электродинамики, но это не привело к успеху.
Попытка решить проблему с позиции термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с помощью интерполяции где v - частота излучения, Т - температура, k - постоянная Больцмана. Полученная Планком формула была очень содержательной, кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h, которую Планк назвал элементарным квантом действия.Справедливость формулы Планка достигалась очень странным для классической физики предположением процесс излучения и поглощения энергии является дискретным. C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло представление о карпускулярно - волновом дуализме.
Реальная природа света может быть представлена как диалектическое единство волны и частиц. Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было предложено множеств о противоречащих друг другу моделей.Выход был найден Н. Бором путм синтеза планетарной модели атома Резерфорда и квантовой гипотезы.
Он предположил, что атом может иметь ряд стационарных состояний при переходе в которые поглащается или излучается квант энергии. В самом же стационарном состоянии атом не излучает. Однако теория Бора не объясняла интенсивности и поляризации излучения. Частично с этим удалось справиться с помощь принципа соответствия Бора. Этот принцип сводится к тому, что при описании любой микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией, применяемой в макромире.Принцип соответствия сыграл важную роль в исследованиях де Бройля.
Он выяснил, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и элементарным частоцам материи присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929 году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое уравнение, носящее его имя. Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения Шредингера.Он показал, что это уравнение описывает амплитуду вероятности нахождения частицы в данной области пространства.
Чуть раньше 1925г. Гейзенбергом была разработана квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на соотношении неопределнностей Гейзенберга чем больше неопределнность пространственной координаты, тем меньше неопределнность значения импульса частицы. Аналогичное соотношение имеет место для времени и энергии частицы.Таким образом, в квантовой механике была найдена принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам.
В квантовой физике была поставлена важная проблема о необходимости пересмотра пространственных представлений лапласовского детерминизма классической физики.Они оказались лишь приближнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование принципиальной неопределнности в состоянии объекта, наличие черт целостности и индивидуальности в микромире, что и выражалось в понятии универсального кванта действия h. Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещ не создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещ большими трудностями.
Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды взаимодействий и специфические свойства пространственно - временных отношений.
Область доступных в эксперименте микроскопических интервалов условно делится на четыре уровня 1уровень молекулярно - атомных явлений, 2 уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов, 3 уровень элементарных частиц, 4уровень ультрамалых масштабов, где пространственно - временные отношения оказываюстя несколько иными, чем в классической физике макромира.В этой области по-иному следует понимать природу пустоты - вакуум.
В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов, электронно - позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривают как особый вид материи - как поле в состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что так называемая пустота - это одно из состояний материи.Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой е плотностью.
Минимум е оказался равным уровню осциллятора hv2. Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны пишет Я. Зельдович мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии. Эта бесконечная энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности, которые ещ предстоит освоить физике.Продвигаясь вглубь материи, учные перешагнули рубеж 10 см. и начали исследовать физические процессы в области субатомных пространственно - временных отношений. На этом уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц.
Здесь иные пространственно - временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого.Ещ более радикальных изменений пространственно - временных представлений требует переход к исследованию процессов, характерных для слабых взаимодействий.
Поэтому на повестку дня встат вопрос о нарушении пространственной и временной чтности, т.е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными. В этих условиях были предприняты различные попытки принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно направление связано с изменением представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе - с гипотезой о возможной макроскопической природе пространсва и времени.Рассмотрим более подробно эти направления.
Прерывность и непрерывность пространства и времени в физике микромира. Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства и времени. После создания теории относительности и квантовой механики учные попытались объединить эти две фундаментальные теории.Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое уравнение для электрона.
Был получен неожиданный вывод о существовании антипода электрона - частицы с противоположным электрическим зарядом.В настоящее время известно, что каждой частице в природе соответствует античастица, это обусловлено фундаментальными положениями современной теории и связано с кардинальными свойствами пространства и времени чтность пространства, отражение времени и т.д Исторически первой квантовой теорией поля была квантовая электродинамика, включающая в себя описание взамодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого уровня развития и известной завершнности.
Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно - временной непрерывности точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечт за собой существенные трудности, связанные с бесконечными значениями некоторых величин масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д Эти трудности учные пытались преодалеть путм введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени.
Такой подход намечает единственный выход из неопределнности бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину - основу атомистического пространства.Позже была построена обобщнная квантовая электродинамика, которая также является локальной теорией, описывающей точечные взаимодействия точечных частиц, что приводит к существенным трудностям. Например, наличие электромагнитного и электронно - позитронного вакуума обуславливает небходимость внутренней сложности, структурности электрона.
Электрон поляризует вакуум, и флуктуации последнего создают вокруг электрона атмосферу из виртуальной электронно - позитронной пары. При этом вполне вероятен процесс аннигиляции исходного электрона с позитроном пары. Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но в другой точке пространства. Подобная специфика объектов квантовой электродинамики является веским аргументом в пользу концепции пространственно - временной дискретности.
В е основе лежит идея о том, что масса и заряд электрона находятся в разных физических полях, отличны от массы и заряда идеализированного изолированного от мира электрона. Разность между массами оказывается бесконечной.При оперировании этими бесконечностями их можно выразить через физические константы - заряд и массу реального электрона. Это достигается путм перенормировки теории.
Что касается теории сильных взаимодействий, то там процедуру перенормировки использовать не удатся. Всвязи с этим в физике микромира широкое развитие получило направление, связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя методами. При первом исходят из положения. что понятие локального взаимодействия лишено смысла.Второй основан на отрицании понятия точечной координаты пространства - времени, что приводит к теории квантового пространства - времени.
Протяжнная элементарная частица обладает сложной динамической структурой. Подобная сложная структура микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учные столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики элементарного и сложного в микромире.Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами.
В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного. Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения раньше и позже.В области нелокального взаимодействия события связаны в некий комок, в котором они взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.
Таково принципиальное положение дел, сложившееся в развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенберга и кончая современными нелокальными и нелинейными теориями, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени на области малые, где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в нелокальной теории новой константы размерности длины - элементарной длины.
С этим атомом пространства связан и элементарный момент времени хронон, и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц. Теория дискретного пространства - времени продолжает развиваться. Открытым остатся вопрос о внутренней структуре атомов пространства и времени.Существует ли пространство и время в атомах пространства и времени Это одна из версий гипотезы о возможной макроскопичности пространства и времени, которая будет рассмотрена ниже. Проблема микроскопичности пространства и времени в микромире.
В современной физике микромира возникла следующая проблема речь стала идти не об изменении свойств или структуры пространства и времени, а об их макроскопической природе, т.е. о том, что их вообще возможно нет в микромире.Такая постановка вопроса связана с созданием квантовой механики. Что касается сфер приложимости гипотезы, то е сторонники разошлись во мнениях одни считают, что она имеет отношение лишь к теоретическому описанию объективной реальности в квантовой физике, другие расширили е уровня философского положения о неуниверсальности пространства и времени как форм существования движущейся материи.
В ньютоновской механике теоретическое и эмпирическое пространство и время во многом совпадали. С развитием физики это совпадение нарушается.В связи с этим возникает вопрос должна ли эмпирическая структура физической теории выступать обязательно в форме пространства и времени классической физики Гейзенберг следующим образом описывает создавшуюся в физике микромира ситуацию Оказывается, в наших исследованиях атомных процессов неизбежно существует своеобразное раздвоение.
С одной стороны, вопросы, с которыми мы обращаемся к природе посредством экспериментов, всегда формулируются в понятиях классической физики, в особенности в понятиях пространства и времени, поскольку наш язык приспособлен к передаче только обыденного нашего окружения и поскольку опыты мы не можем провести иначе, как только во времени и в пространстве.
С другой стороны, математические выражения, пригодные для изображения экспериментальных результатов, представляют собой волновые функции в многомерных конфигурационных пространствах, не допускающих какой-либо простой наглядной интерпретации. Из этого положения можно сделать вывод, что пространство и время классической физики являются эмпирической структурой квантовой механики.Так в чм же суть рассматриваемой гипотезы Эмпирическая структура физической теории заведомо макроскопична.
Теоретическая структура при описании микромира выступает как пространство и время.Пространство и время можно использовать при развитии физических теорий, описывающих другие уровни строения материи, но это сопряжено с неоправданным усложнением теории, и поэтому от них отказываются. Речь идт о макроскопичности пространства и времени, которые выступают в качестве теоретических структур физических теорий.
В заключении рассмотрим гипотезу о макроскопической природе пространства и времени с точки зрения диалектико - материалистического учения об их универсальности. Речь едт о пространстве и времени как категориях современной физики, которые являются специфическими метрическими структурами сосуществования данных явлений и смены конкретных состояниий, что предполагает возможность различия двух соседних точек и двух последующих моментов.Свойства соседства и следования являются конкретными и специфическими свойствами структуры, которые могут существовать далеко не везде.
С этой точки зрения можно даже говорить о внепространственных и вневременных формах существования материи.Однако, можно задать и другой вопрос если пространство и время оказываются неуниверсальными, то какой смысл нужно вкладывать в них сейчас, чтобы они попрежнему оставались универсальными С этим вопросом связано возникновение и развитие различных модификаций гипотезы о макроскопической природе пространства и времени.
Если этой гипотезе пытаются придать философский статус, то это необоснованно, т.к. она носит сугубо физический характер и не вступает в противоречие с тезисом диалектическо - материалистической философии о всеобщности пространства и времени.Но в рамках физической проблематики эта гипотеза не означает, что макромир обладает только соответствующей пространственной природой, т.е. следует учитывать, что макромир не исчерпывается классическими объектами в классических пространстве и времени, что неклассический макромир может потребовать неклассической пространственно - временной организации 1. Аскин Я.Ф. Проблема времени.
Е физическое истолкование, М. Мысль 1986. 2. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании, М.Мысль 1982 253 с. 3. Ахундов М. Д. Проблемы прерывности и непрерывности пространства и времени, М.Наука 1989 256 с. 4. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени истоки, эволюция, перспективы, М.Наука 1982 222 с. 5. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения и регуляторы практической деятельности, МинскНаука и техника 1989 220 с. 6. Потмкин В.К Симанов А.Л. Пространство в структуре мира, НовосибирскНаука 1990 176 с. 7. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырх томах.
Том I. Работы по теории относительности 1905-1920, М.Наука 1985 700с.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
