Многообразие форм пространства и времени

 

В течение многих столетий полагали, что реальное пространство может быть только прямолинейным, каким его описал еще в III в. до н. э. древнегреческий математик Евклид. Пространство непосредственно окружающего нас макромира, евклидово пространство, характеризуется прямой линией, лишенной кривизны плоскостью; сумма углов треугольника в таком пространстве равна 2d. Важнейшие свойства прямолинейного пространства выражаются постулатом о параллельных прямых, согласно которому через точку на плоскости, не лежащую на данной прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной прямой. Однако в XIX в. ряд выдающихся математиков почти одновременно пришли к мысли о возможности существования пространства с принципиально иной геометрией. Исходя из ясно осознанного представления о зависимости метрики пространства от материальных тел, Н.И. Лобачевский (1792-1856) разработал первый вариант геометрии криволинейного пространства (1826), в которой через точку на плоскости можно провести более одной прямой, параллельной данной, сумма углов треугольника меньше 2d и т.д. Введя новый постулат о параллельных, Лобачевский получил внутренне непротиворечивую геометрическую теорию. Пространство Лобачевского можно представить (правда, только в двух измерениях) в виде вогнутого пространства граммофонной трубы. В трех измерениях криволинейное пространство наглядно непредставимо. Близкие варианты криволинейной геометрии были разработаны венгерским математиком Я. Больяи и немецким математиком К.Ф. Гауссом. Несколькими десятилетиями позже вариант геометрии выпуклого пространства (где сумма углов треугольника больше 2d) создал немецкий математик Б. Риман (1854).,

Появление неевклидовой геометрии представляло собой крупный революционный шаг в развитии естествознания, хотя полностью значение этого шага было осознано только в XX в. с появлением теории относительности. Революционный характер новых представлений заключался в разрыве с наглядно представимыми относительно простыми идеями геометрии, что потенциально означало глубокий пересмотр взглядов на материальный мир.

Действительное революционное значение неевклидовой геометрии стало выявляться только тогда, когда ее представления начали получать все более содержательный физический смысл, ибо до этого они оставались пока чистыми абстракциями, лишенными содержательной физической интерпретации.

Современные физические представления о пространстве и времени связаны с одной из величайших физических теорий — специальной (1905) и общей (1915-1916) теорией относительности А. Эйнштейна.

Возникновение теории относительности как новой обобщающей физической теории, отличной от господствовавшей несколько веков теории Ньютона, было вызвано потребностями развития физики, стремлением к объединению физического знания. Специальная теория относительности (СТО) основывается на двух принципах: постоянства скорости света в пустоте и относительности. Согласно первому принципу или постулату скорость света в пустоте является предельной скоростью физического взаимодействия. Постулат относительности утверждает, что законы электромагнитных явлений инвариантны, независимы от равномерного и прямолинейного движения систем. На основе этих принципов Эйнштейн разработал теорию физического пространства и времени, в которой последние оказываются зависимыми от движения физических тел: по мере приближения скорости движения тел к скорости света протяженность тел сокращается, а время течет медленнее. Используя формулы Лоренца, который вкладывал в них иной, слишком буквальный физический смысл, эту зависимость можно представить следующим образом: где l_v — протяженность движущегося тела, а l₀ —покоящегося, v — скорость движения тела, с — скорость света. где t_v —время движущегося тела, t₀ — время покоящегося тела.

Сокращение длины движущегося тела нельзя понимать буквально, как физическое сокращение расстояний между молекулами, физическое сжатие. Точно так же не следует буквально понимать замедление течения времени. Эйнштейн открыл весьма фундаментальное свойство пространства и времени — быть объективно различными в различных физических системах.

Представим, что с Земли отправляется в космическое путешествие ракета, движущаяся со скоростью, составляющей 0,9999 скорости света. Допустим, что в системе ракеты реально истек один год, т. е. люди постарели на один год, пружинные часы, находящиеся на ракете, отметили промежуток времени, равный одному году, радиоактивные вещества подверглись распаду в количестве, соответствующем одному году, и т. д. В то же время на Земле так же реально истечет 70 лет, т. е. вернувшиеся на ракете люди, постаревшие всего на один год, встретятся на Земле со своими детьми или даже внуками, которые будут старше их.

СТО впервые ввела в науку также представление о тесной взаимосвязи и взаимодополнительности пространства и времени. С точки зрения СТО поведение любого тела можно описать только с помощью четырех взаимозависимых координат — трех пространственных и временной. Физические процессы протекают в «четырехмерном пространстве» («четырехмерном мире Минковского»), что, разумеется, нельзя понимать буквально, как существование собственно пространства с четырьмя измерениями.

СТО объединила физические представления только применительно к так называемым «инерциальным системам», т.е. системам, движущимся равномерно и прямолинейно. Общая теория относительности (ОТО) представляет собой дальнейшее обобщение физической теории, относящейся к любым, инерциальным и неинерциальным, системам. Центральным постулатом ОТО является принцип эквивалентности инерциальной и гравитационной масс. ОТО исходит из признания наиболее широким и универсальным физическим взаимодействием в видимой Вселенной тяготения, которое определяет свойства пространства и времени. Поэтому ОТО один из крупнейших физиков современности В.А. Фок назвал общей теорией тяготения. С позиций ОТО протяженность и длительность зависят от интенсивности гравитации: чем интенсивнее поле тяготения, тем меньше протяженность и медленнее течет время. Однако еще больший интерес представляет введенное ОТО понятие о кривизне пространства, связанного с самой природой поля тяготения.

Представление о кривизне пространства тяготения получило блестящее подтверждение в наблюдениях солнечного затмения (1919 г.), которое происходило на фоне группы ярких звезд, что позволило вычислить наблюдаемую величину кривизны околосолнечного пространства. Эта величина оказалась весьма близкой той, которую определил ранее Эйнштейн.

На основе ОТО возникла релятивистская космология, в которой выдвинут ряд моделей видимой Вселенной. Как было показано нашим соотечественником А.А. Фридманом, уравнения ОТО допускают решения, которые рассматривают видимую Вселенную как эволюционирующую. Эволюция видимой Вселенной заключается прежде всего в ее расширении, в процессе которого происходит образование наблюдаемых в настоящее время физических объектов — вещества, поля, элементарных частиц, галактик, небесных тел и т. д. Благодаря открытию Хабблом (1929) «красного смещения» спектра удаленных галактик, которое было истолковано (на основе «эффекта Допплера») как свидетельство «разбегания галактик», а также «реликтового излучения» с температурой примерно 3°К, была разработана теория «горячей Вселенной», или, иначе, расширяющейся Вселенной. Согласно этой теории наша Вселенная (Метагалактика) 15-20 млрд лет назад возникла в результате космического Большого взрыва, которому предшествовало так называемое «сингулярное» («особенное») состояние, когда материя видимой Вселенной была «стянута в точку», находилась в сверхплотном состоянии, характеризующемся бесконечной плотностью, температурой, кривизной пространства. Представление о сингулярном состоянии как «стянутой в точку» материи с бесконечными значениями физических величин является, конечно, идеализацией, поскольку физика не располагала средствами установить размеры (радиус) видимой Вселенной в ее исходном сверхплотном состоянии.

Вопрос о свойствах пространства видимой Вселенной и связанный с ним вопрос о ее будущем может быть решен в зависимости от реальной величины средней плотности физической материи в видимой Вселенной, что может быть сделано только на основе эмпирических наблюдений. В релятивистской космологии принято, что существует критическая величина средней плотности, равная приблизительно 10^-29 г/см³, т. е. 10 атомам водорода в одном кубическом метре. Если реальная средняя плотность материи меньше критической, пространство видимой Вселенной обладает отрицательной кривизной, а расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно (модель «открытой Вселенной»). Согласно этой модели во Вселенной через 10³³ и более лет распадутся все протоны, вещество превратится в разряженный газ электронов, позитронов, фотонов, а в интервале от 10⁶⁰ до 10¹⁰⁰ лет испарятся и так называемые «черные дыры» (сверхплотные состояния вещества, возникающие в результате гравитационного «коллапса», в которых тяготение «запирает» световое излучение)1.

Если средняя плотность материи оказывается больше критической, расширение Вселенной в будущем сменится сжатием, коллапсом, в результате которого возникнет новое сингулярное состояние. Согласно С. Вайнбергу, единственная альтернатива человечеству во Вселенной — «либо быть сожженными в закрытой Вселенной, либо быть замороженными — в открытой»1.

В последние годы модель расширяющейся горячей Вселенной была дополнена представлением о «раздувающейся», в некоторый ранний период, Вселенной.

Нередко, особенно в популярной литературе, открытую Вселенную, с пространством отрицательной кривизны, называют бесконечной, а закрытую — конечной. Однако, как отметил В.А. Фок, речь здесь может идти только об «открытой» или «закрытой» моделях Вселенной, а не о бесконечности или конечности пространства в строгом смысле слова.

С релятивистской космологией, появлением концепции эволюционирующей Вселенной в физику и космологию, их фундаментальные концепции впервые входит глубокая идея развития, физика становится эволюционной наукой.

Философское значение теории относительности заключается прежде всего в том, что она подтвердила диалектико-материалистическое понимание пространства и времени, их неразрывной связи друг с другом и материей. Марксистская философия в своем принципиальном содержании не вступила в противоречие с новыми революционными взглядами в физике. Однако было бы большим упрощением думать, что философский смысл новой теории заключался только в подтверждении уже существовавших положений научной философии. Главное в содержании и значении теории Эйнштейна, а вместе с ней и неевклидовой геометрии, состояло в том, что она дала материал и толчок для существенного углубления научной философской концепции пространства, времени, движения и материи. Она наполнила более глубоким содержанием понятие связи пространства и времени, их зависимости от материи.

С теорией относительности и неевклидовой геометрией в науку и философию входит понятие о различных формах пространства и времени, ставится целый ряд новых философских проблем.

Наконец, величайшее значение теории относительности и неевклидовой геометрии состоит в том, что они дали богатейший урок творчества, творческого пересмотра казавшихся незыблемыми представлений о неизменных пространстве и времени, об их абсолютном характере. Философские понятия о пространстве и времени сохранили свое наиболее общее и абстрактное содержание, но были подняты на существенно более высокий теоретический уровень.

С новыми представлениями о пространстве и времени более глубоким содержанием наполнилось и понятие объективной реальности, которое было опосредовано понятием об относительности и многообразии пространственно-временных форм объективно-реального существования.