Развитие концепций пространства и времени

Движение относительно, и для его описания необходимо знать его количественные характеристики. Физические понятия пространства и времени были сформированы во многом именно для количественного описания процессов движения. В физике в наиболее общем виде движение рассматривается как изменение состояния физической системы, и для описания состояния вводится определенный набор измеряемых параметров. К числу таких параметров относятся пространственно-временные координаты, или, как принято говорить, точки пространственно-временного континуума (непрерывного множества).

Пространство и время являются основными понятиями всех разделов физики. Пространство выражает порядок сосуществования физических объектов, время же выражает порядок смены физических состояний и явлений.

Исторически развитие физических представлений о пространстве и времени происходило по двум направлениям, связанным с различными философскими подходами. Первое направление восходит к идеям Демокрита, считавшего пустоту особым родом бытия, всеобщим вместилищем. Эти идеи нашли свое наиболее полное физическое воплощение в ньютоновских понятиях абсолютного пространства и абсолютного времени. В основе второго направления лежат воззрения Аристотеля, которые были развиты в философских работах крупного немецкого математика, физика и философа Готфрида Вильгельма Лейбница. Лейбниц трактовал пространство и время как определенные типы отношений между объектами и их изменениями, не имеющие самостоятельного существования. В физике концепция Лейбница впоследствии была развита Эйнштейном при разработке теории относительности.

Абсолютное время и абсолютное пространство Ньютон рассматривал как «вместилища самих себя и всего существующего», пользуясь также понятием относительного времени как меры продолжительности событий. Абсолютное пространство, по Ньютону, существует независимо от наличия в нем физических тел, т. е. может быть совершенно пустым. Такому пространству полностью адекватна геометрия Евклида, оперирующая идеальными математическими объектами и посему являющаяся теорией идеального математического пространства.

В процессе развития физики, в частности с разработкой Эйнштейном теории относительности, представления о пространстве и времени существенным образом изменились. Выяснилось, что течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При скоростях, близких к скорости света, возникают эффекты релятивистского замедления времени и релятивистского сокращения продольных (в направлении движения) размеров. В поле тяготения происходит гравитационное замедление времени и искривление пространства. Таким образом, пространство и время представляют собой сущности, зависящие от материи, материальные объекты определяют свойства пространственно-временного континуума.

Пространство и время объединены в единый четырехмерный континуум пространство-время специальной теорией относительности. Из этой теории следует относительность одновременности событий, происходящих в разных областях пространства, а также относительность измерения величин временных промежутков и длин, производимого в системах отсчета, которые движутся друг относительно друга. Это означает, что в реальном мире пространство и время имеют относительный характер, а понятия абсолютного пространства и абсолютного времени не имеют физического смысла, оставаясь идеальными математическими представлениями.

Мы видим, что представления, сложившиеся применительно к процессам, происходящим в привычном для человека макромире, оказались непригодными с переходом к масштабам мегамира. Серьезные трудности возникли также при попытке использовать новые понятия пространства-времени для теоретического описания явлений в микромире. Заметим, что релятивистская механика, т. е. теория движения тел со скоростями, близкими к скорости света, основу которой составляет специальная теория относительности, является именно классической теорией. Что же касается квантовой механики, оперирующей объектами микромира, то уже в нерелятивистском случае оказалось невозможным вести речь о траекториях микрочастиц, и применимость понятий пространства и времени была ограничена принципом неопределенности.

Еще более серьезные трудности, носящие принципиальный характер, появляются при попытках экстраполяции (распространения) макроскопических понятий пространства-времени на мир микрочастиц в квантовой теории поля, являющейся релятивистской теорией. О том, насколько велики эти трудности, можно судить хотя бы по выдвижению гипотезы о неприменимости понятий пространства-времени к микромиру.

Большинство ученых, однако, убеждено в универсальности пространства-времени, признавая, конечно, необходимость существенного изменения смысла понятий пространства-времени применительно к микромиру.