Становление представлений о пространстве и времени

Современная научная картина мира была бы неполной без рассмотрения таких всеобщих свойств материи, как пространство и время. Именно в этих предельно общих понятиях и отражается структурная организованность и изменчивость бытия. Этими понятиями широко оперирует не только обыденное сознание, но также специальные науки и философия.

Для нашего обыденного сознания пространство и время являются чем-то самоочевидным. Говоря о каком-то событии (деловая встреча, собрание, свидание и т.д.), мы всегда указываем его место и время. Но для теоретического мышления все не так просто: проблема пространства и времени напряженно обсуждалась в истории научной и философской мысли.

Наука свидетельствует, что любой материальный объект от очень малого до очень большого, включает в себя определенные элементы связанные между собой так, что образуется некая устойчивая структура, отграниченная от других структурно организованных объектов. Это означает, что любой материальный объект обладает протяженностью и как-то расположен относительно других объектов материального мира. Все эти предельно общие свойства – структурность,протяженность, сосуществование выражают наиболее общие свойства пространства. В обыденной практике и научном познании размеры тела и его положение относительно других тел можно измерить (выразить количественно), связав данное тело с определенной точкой отсчета. Эти пространственные характеристики выражаются набором из трех чисел: длина, ширина, высота (глубина). В XVII веке это было математически выражено Декартом с помощью понятия системы координат. Определить размеры и местоположение тела можно, используя другие, эталонные мерки: линейка, метровый стержень и др.

Если пространство характеризует существование объектов в их устойчивости и определенности, то понятие времени отражает их изменчивость. Наука свидетельствует, что любой объект материального мира (звезда, животное, земная кора, общество, человек и т.д.) подвержены изменению, развитию: когда-то он возникает, формируется, переходит от одной стадии своего развития к другой. Причем, одна стадия может начаться раньше или позже, чем другая. Отсюда – разные темпы протекания процессов, разная продолжительность или длительность событий. Таким образом, времяхарактеризует понятие смены состояний и длительности бытия любых объектов и процессов.

Время, как и пространство, можно измерять, сравнивая его с другим (эталонным) отрезком времени. За эталон выбираются строго периодические процессы, с которыми сопоставляются непериодические процессы. Год, например, определяется периодом вращения Земли вокруг Солнца, день – временем, необходимым для оборота Земли вокруг своей оси, час – временем, за которое совершает один оборот большая стрелка часов и т.д. Время существует вне и независимо от нашего восприятия, оно обозначает непрерывную изменчивость объектов, часы же – только механизм для количественного описания этой изменчивости, длительности. Ее можно измерять разными часами – водяными, солнечными, песочными, механическими, атомными и т.д. В любом случае часы – только эталон равномерной изменчивости.

Заметим, что описываемые количественно, пространство и время отличаются тем, что пространство трехмерно, а время – одномерно, как прямая линия. Время состоит из моментов, каждому из которых соответствует только одно число. Однако то, что время можно измерить, роднит его с пространством: то и другое обладает количественными свойствами, которые называют метрическими. Есть еще некоторые коренные свойства (метрические) пространства и времени, которые оказываются очень важными для физики. Чтобы к ним подойти, нам придется обратиться к физическому принципу пространственно-временной симметрии. Между этим принципом и физическими законами сохранения существует связь, установленная теоремой немецкого математика Эмми Нетер в 1918 году.

Из нее следует, что пространство обладает такими свойствами симметрии, как

1) однородность (равноправие всех точек пространства), ибо любой перенос (сдвиг) и пространстве какой-либо физической системы не меняет физические законы;

2) изотропность (свойства пространства одинаковы во всехнаправлениях), ибо любой поворот системы отсчета пространственных координат опять-таки оставляет физические законы неизменными (инвариантными). Время в свете этого подхода также обладает свойством однородности, т.е. все моменты времени объективно равноправны, ибо физические законы неизменны для любого момента времени. Теорема Нетер доказывает: из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса (количества движения), из его изотропности – закон сохранения момента импульса, а из однородности времени – закон сохранения энергии.

Ho есть одно свойство времени (качественное), которое решительно отличает его от свойств пространства – его необратимость. Это означает, что время («река времени») всегда течет (т.е. все процессы происходят) только в одном направлении – от прошлого к будущему. Однако, если переменить знак времени в фундаментальных физических законах, они не изменятся, не потеряют своей логичности. Получается, что законы обратимы во времени, а вот явления, процессы реальной действительности – нет. Многие физики и философы считают, что такая однонаправленность (асимметричность) времени должна иметь какое-то обоснование в самой природе вещей, в том, как устроен наш мир.

Одни ученые выводят необратимость времени из расширения Метагалактики («космологическая стрела времени»), другие – из закона возрастания энтропии («термодинамическая стрела времени»), третьи – из однонаправленного характера распространения электромагнитных волн («электромагнитная стрела времени»), четвертые – из особенностей гравитационных взаимодействий и т.д. Интересную гипотезу выдвигает с позиций синергетики И.Пригожин, необратимость времени связана с необратимыми процессами развития неравновесных систем, при которых детерминация будущего их состояния прошлым имеет неоднозначный, вероятностный характер. Философы-материалисты, учитывая естественнонаучные данные, считают, что ритмические процессы в материальном мире сопровождаются его развитием, эволюцией, т.е. появлением чего-то качественно нового. А это значит, что символом времени является не круг (у Екклезиаста: ничто не ново под луной, что было, то и будет, ушедшее возвращается, и «все в мире только повторяется), и не прямая («стрела времени»), а спираль, которая и дает наглядный образ необратимости времени.

Однако представление о пространстве, времени и их свойствах не всегда были такими, как в современной науке. В геоцентрической системе мира Птолемея пространство было конечно. Оно замыкалось сферой неподвижных звезд. Земля мыслилась центром Вселенной, центром притяжения всех тел, абсолютной точкой отсчета. Космос же был разделен на два уровня: земной (подлунный) и небесный, который не подчиняется естественным закономерностям и состоит из эфирных тел, пребывающих в бесконечно совершенном круговом движении. Из всего этого следовало, что пространство неизотропно (его свойства неодинаковы во всех направлениях) и неоднородно (не все точки пространства равноправны). Единицей измерения времени являлась здесь скорость движения небесной сферы, а пространство описывалось геометрией Эвклида.

На смену этой космологической модели, просуществовавшей около 2 тыс. лет, пришли представления, основанные на принципах классической механики. В этот период утвердились ньютоновы взгляды на пространство и время. Согласно им, пространство также является эвклидовым, но уже бесконечным, однородным, изотропным, ибо в нем нет выделенных направлений (верха, низа, центра – никакой фиксированной точки отсчета). В системе Ньютоновых представлений пространство – абсолютно пустое, всегда одинаковое и неподвижное вместилище для движущихся тел, а время – равномерная, «чистая» длительность, в котором совершаются события. Такие пространство и время нельзя наблюдать в опыте. Это – абсолютные (математические) пространство и время, а то, что мы наблюдаем и измеряем с помощью линейки и часов, есть, по Ньютону, относительные (обыденные) пространство и время. Такие представления, господствовавшие в науке до начала XX в., И. Ньютон ввёл в своей знаменитой книге «Математические начала натуральной философии».

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, всегда остается одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно. Абсолютное время можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это – минута, час, день, месяц, год.

С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности. Следствием представлений о пространстве и времени как пустых вместилищах для материи явилась теория дальнодействия. Однако, что уже во времена Ньютона с его теорией конкурировала теория близкодействия, а к концу XIX века вместе с открытиями Фарадея, Максвелла, опытами Герца, представления о «пустом» пространстве и «дальнодействии» были практически вытеснены из естествознания. Однако гипотеза эфира как некоей преимущественной точки отсчета продолжала существовать. Эфир как бы воплощал собой абсолютное пространство. Но опыт американских физиков А.А.Майкельсона, Э.В.Морли (1887 г.) с целью обнаружить движение Земли относительно эфира или эфира относительно Земли, дали отрицательный результат и стал одной из величайших поворотных точек современной физики. Такой была ситуация в физике к началу XX века.

Прорыв в представлениях об универсальности свойств пространства и времени был связан также с открытиями в математике. В XIX веке была создана неэвклидова геометрия (Гаусс, 1827; Н.И. Лобачевский, 1828; Я. Бояи, 1832; Б. Риман, 1854), которую многие ученые восприняли как странную игру понятий. Новые геометрические представления оказались востребованы физикой только в 1916 г.

Согласно классификации Римана существует три вида геометрических систем (впоследствии Ф.Клейн установил, что их может быть значительно больше: для трехмерного пространства – 27), каждая с особым типом пространственных структур: плоская (геометрия Эвклида), гиперболическая (геометрия Лобачевского) и эллиптическая (геометрия Римана). В двух последних постулаты Эвклида не соблюдаются. Например, сумма углов треугольника в «вогнутом» трехмерном пространстве Лобачевского меньше 180°. Ввиду отклонения геометрических свойств этих пространств от аналогичных свойств эвклидова пространства, их назвали искривленными. Благодаря их открытию выяснилось еще одно: бесконечность нельзя понимать в смысле безграничности, что было естественно в рамках эвклидовых геометрических представлений. Таково безграничное и бесконечное пространство Ньютона. Трехмерная же поверхность, обладающая свойством положительной кривизны (условно ее можно уподобить поверхности мяча, шара), может быть безграничной, но конечной, т.е. иметь конечный радиус, а, следовательно, конечный объем.

Теория относительности обнаружила важную сторону пространственно-временных отношений материального мира. Она выявила глубокую связь между пространством и временем. Эта идея приобретает наглядный характер в понятии четырехмерного континуума (от лат. – « неразрывность»), введенного математиком Германом Минковским, B этом едином четырехмерном континууме три координаты пространственные, а четвертой является время.

В классической механике Ньютона пространство и время могут быть отделены друг от друга, измерены по отдельности. Согласно Минковскому пространство и время, взятые по отдельности относительны, зависят от взаимного движения тел, а вот их своеобразный «сплав» – пространство-время (интервал между событиями в четырехмерном континууме) становится абсолютным, неизменным относительно движения тел, т.е. при переходе от одной инерциальной системы к другой. Получается, что пространственно-временной континуум абсолютен, т.е. здесь невозможно провести четкой границы между пространственными и временными измерениями.

Находясь в единстве, пространство и время не существуют безотносительно к движущейся материи, т.е. они таковы, какова движущаяся материя.

Согласно общей теории относительности (ОТО) тяготение не является силой. Солнце не «притягивает» планеты, Земля не притягивает падающее яблоко. Просто большое материальное тело вроде Солнца приводит к искривлению пространства в окружающей его области. Чем ближе к этому телу, тем больше кривизна. Другими словами, структура пространства в окружностях больших гравитационных масс становится неэвклидовым. В этом неэвклидовом пространстве тела продолжают выбирать наиболее прямые пути, но то, что в эвклидовом пространстве является прямой (геодезическая линия на плоскости) в пространстве неэвклидовом становится кривой (геодезические линии на земном шаре – меридианы). Любое материальное тело не просто находится в пространстве, оно определяет его геометрические свойства, которые, в свою очередь, зависят oт распределения тяготеющих масс. Поля тяготения оказывают замедляющее действие и на время. Это означает, что любой ритмический процесс (колебания атома, тиканье часов и т.д.) на Солнце будет идти с немного меньшей скоростью, чем на Земле.

Таким образом, связь между веществом и свойствами пространства-времени взаимная: материальные массы воздействуют на свойства пространства-времени, которые, в свою очередь, влияют на движение материальных тел и других физических процессов, (например, на движение света. Лучи света распространяются вблизи любого тела не по прямым, а по изогнутым линиям. Это, предсказанное ОТО явление, было зафиксировано в 1919 году во время солнечного затмения.

Получается, что ОТО заменяет тяготение искривлением пространства-времени. Большинство физиков считает, что искривление движется подобно волне со скоростью света. Высказывается предположение, что эти волны состоят из квантов (движущихся частиц, обладающих конечной энергией) – гипотетических гравитонов. ОТО согласуется со всеми современными наблюдениями физических явлений, начиная с действия приливов и кончая смещением перигелия (т.е. точки орбиты, ближайшей к Солнцу) Меркурия.

Главное в ОТО – создание новой, более общей, чем ньютоновская, теории тяготения. Отличие этой теории от ньютоновской не только в нахождении формулы, дающей более точное определение гравитационных сил в каждой точке пространства, но и в основополагающей идее о наличии взаимной связи между пространством-временем и движущейся материей. Раскрывая суть теории относительности, Эйнштейн писал: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности, вместе с вещами исчезли бы пространство и время».