Основные теории конструкций пространства и времени

Рассмотрим последовательно основные теории с точки зрения предлагаемых в них конструкций пространства и времени. Физические теории в XIX веке: ньютоновская механика, электродинамика Максвелла, равновесная термодинамика. Физические теории в XX веке: специальная теория относительности, квантовая теория, общая теория относительности, квантовая теория поля, неравновесная термодинамика. При этом не забудем и эмпирические исследования, поскольку физика включает в себя не только теоретическую, но и экспериментальную деятельность. Особняком стоит космология. Сейчас она представляет собой комплекс высокотехнологичных наблюдений и теоретических построений, синтезирующих новейшие разработки в области квантовой физики и идей общей теории относительности.

 

 

Классическая физика

В классической механике время одномерно, непрерывно, упорядочено, безгранично, бесконечно. При этом все свойства времени носят абсолютный характер, т.е. ничем другим, кроме самих себя, не обусловлены. Как перечисленные свойства, так и отношение одновременности, отношение порядка “позже, чем ”, продолжительность интервала между двумя моментами не зависят ни от выбранной системы отсчета, ни от скорости движения тела, ни от пространства.

На фоне такого времени происходит перемещение (движение) в пространстве физической точки, обладающей массой, энергией и импульсом (или физического тела, построенного по определенным правилам из физических точек). Пространство вводится аналогично времени и отличается от него лишь размерностью. Оно непрерывно, трехмерно, упорядочено, безгранично, бесконечно, абсолютно. Это и есть мир теоретических объектов классической механики, который позволил описать громадный круг физических явлений.

С развитием квантовой физики, в которой принцип дискретности энергии является центральным, возникают сомнения в универсальности такой конструкции пространства и времени, где они непрерывны. Встает вопрос и о возможности введения других размерностей для пространства и времени, отличных от трех и одного соответственно.

 

Релятивистская физика

Специальная теория относительности вводит некоторые новые представления о времени и пространстве для физических явлений, происходящих со скоростями, близкими к скорости света (так называемая релятивистская физика). Время и пространство теперь связаны друг с другом в четырехмерный пространственно-временной континуум. Метрические свойства времени и пространства теряют свойство абсолютности, каким они были наделены в классической нерелятивистской физике. Длительность временного интервала (промежуток времени) и длина зависят от скорости движения относительно системы отсчета, в которой они измеряются. Чем ближе эта скорость к скорости света, тем больше величина временного интервала и меньше величина пространственного интервала (на обыденном языке говорят: время замедляется, длина укорачивается).

В релятивистской физике впервые обращено специальное внимание на понятие одновременности. Оно лишается свойства абсолютности, которым было наделено в нерелятивистской физике. Отношение одновременности между событиями является относительным к системе отсчета. События, являющиеся одновременными в одной системе отсчета, будут не одновременными в другой системе отсчета, которая движется относительно первой с некоторой скоростью.

 

 

Общая теория относительности Эйнштейна

 

В общей теории относительности Эйнштейна пространство - время связано с гравитационными массами. Оно искривляется (время замедляется) вблизи гравитационных масс. Пространство-время является неоднородным, неодинаковым для различных гравитационных условий. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство гравитационного поля. Общая теория относительности Эйнштейна является наиболее развитой теорией пространства и времени на сегодняшний день в физике.

Теория измерения физических величин, в том числе и пространства, и времени, хорошо развита в физике, поскольку исследователь не может обойтись без наблюдаемых в эксперименте, измеряемых физических величин. Конструкция пространства вполне понимаема на основе опыта нашей непосредственной жизни: в нашем эмпирическом пространстве есть верх - низ, лево – право, спереди – сзади (т.е. пространство трехмерно); оно не прерывается для нас ни в одном из измерений (т.е. непрерывно); когда мы идем, мы не встречаем его края или границы, за которой бы его не было (т.е. оно безгранично). Теоретическая конструкция времени соответствует времени, показываемому часами, по которым привык жить человек технической цивилизации.

Микромир не является тем миром, в котором мы можем измерять процессы с помощью часов, а объекты с помощью линеек, он не является миром человеческого опыта. Вместе с тем экспериментальная деятельность и в этом случае осуществляется людьми с помощью приборов и установок макроскопического характера.

 

Квантовая физика

Квантовая физика имеет дело с явлениями, которые непосредственно не наблюдаемы: факт, полученный в результате опыта, не соотносится непосредственно с квантово-механическим объектом. Побывайте в Протвино на Серпуховском ускорителе или в Дубне и вам покажут фотографии с треками элементарных частиц. Обычный смотрящий на них человек видит только ряд полосок различной длины, разбросанных по фотографии. Только специалист, который проектировал и осуществлял эксперимент, увидит в них взаимодействие элементарных частиц.

Непосредственная не наблюдаемость объекта исследования в квантовой физике является одной из причин, почему понятия времени и пространства не занимают в теоретических исследованиях такого фундаментального места,какое они занимают в классической физике: в квантовой физике большую роль играет импульсно-энергетическое представление и локальные, калибровочные инварианты (т.е. не глобальные геометрические, не простанственно-временные).

Локальная направленность времени или пространства истолковываются, в конечном счете, на базе более фундаментальных обратимых, симметричных законов: время и пространство симметричны (изотропны, не направлены, не имеют выделенного направления).

Обратимость фундаментальных законов физики, описывающих фундаментальные уровни мира посредством уравнений, инвариантных относительно инверсии времени, вступает в противоречие с необратимостью явлений реального мира. Это противоречие было осознано как “проблема необратимости”, как парадокс времени во второй половине XIX века.

Различие между прошлым и будущим (т.е. направленность времени, или стрела времени) на фундаментальном уровне описания для физика не существует. Вместе с тем, когда мы имеем дело с физическими явлениями в экспериментальной деятельности, на практике, или с явлениями из области биологии, геологии, истории, и других, мы видим, что прошлое и будущее играют различную роль, что они “есть”, что существует направленность времени. В такой ситуации естественно встает вопрос: каким образом из фундаментальной концептуальной схемы физики, из симметричного во времени мира, может возникнуть направленность времени. Не может ли быть так, что привычное нам восприятие времени как прошлого, настоящего, будущего является лишь иллюзией, а “на самом деле” время их не содержит.

Последнее время помимо проблемы направленности времени возникает неясность относительно упорядочения времени. Кажется, возможен положительный ответ на вопрос: не нарушается ли где-то на фундаментальном или локальном уровне отношение порядка, с которым наряду с течением, связана прежде всего наша интуиция времени?

Если обратиться к экспериментальным результатам, то сегодня все они свидетельствуют о наличие у времени порядка. Вместе с тем, теории допускают отсутствие этого свойства при определенных условиях.

В соответствии с классической физикой время началось в тот момент, когда пространство было бесконечно плотным и занимало одну точку. До этого моментов времени не было. В соответствии с квантовой физикой свойство времени как последовательности, порядка начинается не при Большом взрыве, а несколько позднее, где-то через время Планка, через десять в минус сорок третьей степени секунд, после Большого Взрыва. Сам Большой Взрыв не содержит какого-либо определенного временного порядка.

Другим примером отсутствия порядка, последовательности времени сможет служить, видимо, то, что произойдет внутри черных дыр и при конечном повторном разрушении вселенной, при Большом Сжатии. В том и другом случае в соответствии с классической физикой, как и при Большом Взрыве, физический мир сожмется до бесконечной плотности, и результирующие гравитационные силы разорвут пространство-время, нарушат пространственно-временной порядок.

Эти вопросы, касающиеся названных трех примеров, остаются ещё открытыми, поскольку такие эффекты экспериментально еще не обнаружены. Но теории об этом уже говорят. И в частности, одна из интерпретаций квантовой механики - квантовая механика с параллельными вселенными и квантовой концепцией времени,- говорит о том, что классическая концепция времени как порядка, последовательности моментов не может быть истинной, хотя и обеспечивает хорошее приближение во многих областях вселенной.

Что касается потока времени (течения времени), то эти слова не имеют смысла в теоретической физике. Другими словами, теоретическая физика ничего не может о них сказать. Это, кстати, одна из причин, ореола таинственности, сопровождающего интерпретацию времени, и одна из загадок: наш здравый смысл говорит о том, что время течет, а теоретическая физика, фундамент нашего понимания мира, говорит или об обратном, или, в лучшем случае, молчит, ничего не говорит об этом.

“Настоящее в таком представлении соответствует единственной точке, отделяющей прошлое от будущего. Настоящее возникает ниоткуда и исчезает в никуда. Стянутое в точку, оно бесконечно близко и прошлому и будущему. В нашем представлении,- пишет И.Р.Пригожин,- прошлое отделено от будущего интервалом, длина которого определяется характерным временем, и настоящее обретает продолжительность ” (11, с.238 – 239). При этом происходит, по выражению Пригожина, овременивание пространства, поскольку его характеристики связаны с характерным временем.