Свойства пространства и времени

 

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, то правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая как самостоятельные формы бытия. В таком случае выделяют:

– всеобщие свойства пространства и времени – к ним относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами;

– общие свойства пространства и общие свойства времени – они обычно выделяются в учебных целях;

– специфические (локальные) свойства пространства и времени – они проявляются лишь на некоторых структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.

Всеобщие свойства пространства и времени

 

Всеобщими свойствами пространства и времени являются:

1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире, если такие есть.

2. Абсолютность – пространство и время являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех ее структурных уровнях.

3. Неразрывная связь друг с другом и движущейся материей. Это делает пространство и время относительными.

4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве и времени при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве-времени. Таким образом, это свойство проявляется в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля, которые происходят по принципу близкодействия.

5. Количественная и качественная бесконечность, связанная со структурной бесконечностью самой материи. Во Вселенной невозможно найти такое место, где бы отсутствовали пространство и время. Всюду, где есть взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно есть пространство и время. Всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет время, включающее в свое содержание все эти процессы, и пространство, в котором эти процессы происходят.

В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, что их нужно объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи – пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. Но все же пространство и время, наряду с всеобщими характеристиками, имеют такие общие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени. Это и дает возможность рассматривать их как разные атрибуты материи.

Общие свойства пространства

 

1. Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям, из них не могли бы образовываться никакие системы.

Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы.

2. Трехмерность – все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях материи, оно органически связано со структурностью систем и их движением.

В одномерном (линия) или двумерном (плоскость) пространстве не смогли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

Достаточно давно в науке обсуждается возможность существования не только трехмерного, но и многомерного пространства. Физики и математики иногда используют понятие n -мерного пространства. В частности, этого требуют теории Великого объединения и Суперобъединения, о которых говорилось выше. Но все же эти измерения – не более чем абстракция. Даже существование четвертого измерения невозможно представить реально. Чтобы пояснить это, проведем аналогию. Представим себе существование двухмерного мира – страны Плоскатии, которая для нас выглядит, как детский рисунок. Если мы, трехмерные существа, попадем в этот Мир, его обитатели не смогут увидеть нас полностью, они заметят лишь срезы тех частей нашего тела, которые будут проходить через плоскость этого мира. Поэтому, даже если и существует мир четырех измерений, а его обитатели посещают наш мир, мы замечаем лишь проекции их тел -странные объекты, не поддающиеся описанию известными нам физическими законами. Поэтому единственное четвертое измерение, доступное нам, – это время, неразрывно связанное с пространством в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Общие свойства времени

 

1. Длительность – выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний; возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. (Интервалы – это промежутки между какими-либо учитываемыми событиями.) Вне таких событий само понятие времени теряет для нас смысл. Иными словами, средствами измерения времени являются сами события. Уже в древности для измерения времени придумали часы – прибор, который в усовершенствованном виде дошел до наших дней. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы.

Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно имеет продолжительность во времени. Причиной этого является конечная скорость распространения физических взаимодействий и изменения состояний в природе. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например, с состоянием материи типа сингулярности (объект с бесконечной плотностью, гравитационным полем и точечными размерами), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний. Это равносильно отрицанию всякого материального бытия. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения в прошлом. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, существует конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

2. Необратимость времени – общее свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют в данный момент и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, существовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей. На отдаленное будущее тоже нельзя воздействовать, пока оно не возникнет, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Можно сказать, что настоящее – это миг между прошлым и будущим.

Понятие настоящего, как и понятие современности, многозначно, так как охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее – это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть и расширено в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события до часа, дня, года и большего отрезка времени.

Для объективно существующих систем настоящее охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной – настоящих, прошлых, будущих. Это же привело бы к абсолютной одновременности всех процессов во Вселенной, подтвердило бы существование абсолютного времени как универсальной системы отсчета этих процессов.

Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Поэтому физически проявляющееся во взаимодействиях настоящее материальных систем охватывает тот временной интервал, в течение которого они способны провзаимодействовать: t = 21/с, где l – расстояние между системами. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки, но для Галактики они возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах будут еще более значительными.

Внутри настоящего больших систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время, например жизни конкретных поколений людей. Мы сейчас воспринимаем свет от далеких галактик, испущенный миллионы лет назад. То, что для нас воспринимается как настоящее, для этих галактик является уже прошлым. Может быть, некоторые из звезд, которыми мы любуемся по ночам, уже не существуют – вспыхнув как сверхновые, они превратились в пульсары или черные дыры.

Но при этом можно быть уверенным, что от событий и систем будущего никаких воздействий, никакой информации поступить не может, так как эти системы еще не возникли, не обладают реальным существованием. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него – к будущему, но не наоборот.

Какие причины лежат в основе асимметрии и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, законами неравновесной термодинамики. Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире, перестал бы действовать закон причинности, так как следствие возникало бы раньше его причины. Наглядной иллюстрацией обратного хода времени могут служить события на киноэкране при движении киноленты в обратном направлении. При этом нарушаются все законы развития, все причинно-следственные связи.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего во все большей мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире, в частности распады неустойчивых частиц. Существует гипотеза, что даже протоны, традиционно относящиеся к группе стабильных частиц, могут распадаться за период времени порядка 10³¹ лет.

3. Одномерность времени – проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачиваются в одинаковой последовательности.