Тема №3: Концепции пространства и времени в современном естествознании

Вопросы:

1. В чем отличие обыденного от научного представления о пространстве и времени.

2. Как воспринимали пространство и время в доньютоновский период.

3. В чем суть абсолютного пространства и времени, изложенного в концепции И. Ньютона.

4. Теория относительности А. Эйнштейна в развитии представлений о природе пространства и времени.

5. Общие и специфические свойства пространства и времени.

6. Пространство и время в микро-, макро - и мегамирах.

ПОНЯТИЯ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Для обыденных житейских представлений пространство и время — нечто привычное, известное, очевидное. Но если задуматься, то возникают сложные вопросы, напряженно обсуждавшиеся во все периоды развития естествознания.

Можно сказать, что каждый объект характеризуется своеобразной «упаковкой» входящих в него элементов, их расположением друг относительно друга и это делает любые объекты протяженными. Кроме того, каждый объект занимает какое-то определенное место среди других объектов, граничит с ними. Все эти предельно общие свойства, выражающие структурную организацию материального мира, выступают как первые, наиболее общие характеристики пространства.

Пространство и время относятся к числу важнейших форм бытия материи или ее атрибутов, без которых невозможно существование материи. В мире нет материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе вне материи или независимо от нее.

Пространство есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Пространство выражает сосуществование, протяженность и структурность любых взаимодействующих объектов.

Время характеризует последовательность смены состояний и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь изменяющихся и сохраняющихся состояний.

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Для обыденного сознания характерно традиционное представление о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, даже если бы эта материя исчезла. Такой взгляд приводил в прошлом к концепции абсолютного пространства и времени, получившей наиболее отчетливую формулировку в труде Ньютона «Математические начала натуральной философии». Здесь пространство и время определялись как две самодовлеющие сущности, существующие вне и независимо от каких-либо материальных процессов.

Лукреций в своей поэме «О природе вещей» говорил, что не существует времени самого по себе, вне движения и покоя тел. Первоначально понятие пространства как бесконечной пустоты и условия для движения тел, фигурировавшее в атомистике Демокрита, постепенно вытеснялось пониманием пространства как протяженности вещества и эфира. Гипотеза эфира как всепроникающей небесной субстанции использовалась еще Аристотелем, но в физике Нового времени стала исходным принципом волновой природы света и учения об электричестве. Позже Эйнштейн говорил: «Пустого пространства, т.е. пространства без поля, не существует. Пространство и время существуют не сами по себе, а как структурное свойство поля». Энгельс в «Анти-Дюринге» (1876 г.) писал: «Основные формы всякого бытия есть пространство и время». И в «Диалектике природы»: «Эти две формы существования материи есть ничто». Пространство и время объединялись еще до Ньютона кембриджскими неоплатониками (единая сущность) и после Ньютона до Эйнштейна — в теории Гамильтона. Огромен вклад, который внесла теория относительности, развитая Эйнштейном.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Из свойств материи быть объективной реальностью следует ОБЪЕКТИВНОСТЬ пространства и времени.

Второе свойство — АБСОЛЮТНОСТЬ. Третье - ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ. Четвертое общее свойство пространства и времени — БЕСКОНЕЧНОСТЬ, вытекающая из признания бесконечности материального мира. Пространство и время существуют вне и независимо от сознания человека, т.е. они объективны. Свойство абсолютности вытекает из признания тезиса о том, что бытие вне времени есть такая же бессмыслица, как и бытие вне пространства. Человеческие представления о пространстве и времени относительны. Из этих относительных представлений складывается абсолютная истина, эти относительные представления, развиваясь, идут по линии абсолютной истины, приближаясь к ней.

Так как существуют различные толкования понятия формы в отношении пространства и времени к движущейся материи, нет единодушия по поводу того, какие свойства пространства и времени имеют универсальный характер. Выяснение универсальных свойств пространства и времени связано с большими трудностями и предельными экстраполяциями всеобщих законов движения материи. Всякие суждения на этот счет отражают существующий уровень наших знаний и могут претерпевать существенные изменения в будущих теориях в соответствии с диалектикой абсолютного и относительного в научном познании. Познание развивается по линии преемственности объективных истин и интеграции достоверного содержания научных теорий. Многие современные теории об общих свойствах пространства и времени, проверенные и подтвержденные практикой и системой доказательств современной теории, сохранят свое значение и в будущей научной картине мира.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Пространство и время имеют не только общие характеристики, но и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи.

Наряду с такими свойствами, как прерывность и непрерывность, противоречивость, к наиболее общим свойствам пространства и времени относят:

* структурность;

* протяженность;

* трехмерность пространства;

* одномерность, однонаправленность и необратимость времени.

Мнение об универсальности таких свойств пространства и времени, как прерывность и непрерывность, трехмерность пространства, не может быть обосновано логически, хотя принципиально предположение об универсальности этих свойств не противоречит, например, принципам диалектического материализма.

Однако условия изучения пространства и времени иные, чем других понятий, так как нам знаком только единственный вид пространства — пространство трех измерений, в котором протекает наша жизнь, существуют наше тело, наша Земля, наша звездная система. Чем ограничено наше пространство и время и каков характер этого ограничения — на этот вопрос пока нет материала для ответа. Проблема была бы намного проще, если бы существовала только одна форма пространства и времени, как предполагали представители механистического материализма. Но диалектический подход к рассмотрению пространства и времени, основанный на достижениях современного естествознания, заставляет сомневаться в правильности такого взгляда и приводит к гипотезе существования многих форм пространства и времени. В этих условиях определение общих свойств пространства и времени превращается в сложную проблему.

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В МИКРО -, МАКРО - И МЕГАМИРЕ

Идея пространственного многообразия пространственно-временных структур − важнейший компонент естественнонаучной концепции пространства и времени. Утверждая неразрывную связь пространства и времени с движущейся материей, эта концепция предполагает, что развитие материи и появление новых форм ее движения должно сопровождаться становлением качественно-специфических форм пространства и времени.

Три основные сферы материального мира − неживая природа, живое вещество и общество − характеризуются специфическими пространственно-временными структурами. В свою очередь, в неживой природе, представленной возникшими в нашей Метагалактике уровнями организации материи, существуют особенности пространства-времени в мега-, макро- и микромире.

В локальных областях макромира, когда можно абстрагироваться от искривления пространства-времени вблизи тяготеющих масс, пространство и время характеризуется Евклидовой геометрией.

В самом начале расширения, когда плотность вещества была огромной, пространство и время имели общие свойства. В этом зародышевом состоянии наша Метагалактика была подобна микрообъекту и характеризовалась теми пространственно-временными структурами, которые присущи глубинам микромира. Современная физика сформулировала ряд перспективных гипотез, касающихся природы этих структур. Квантовые эффекты, единство прерывного и непрерывного она распространяет и на пространство и время. По-видимому, в областях 10^-23 см и 10^-43 см пространство и время становятся дискретными и дальнейшее их деление на части невозможно. Становление Метагалактики означало формирование пространства и времени макро - и мегамира из пространственно-временных структур.

При переходе к системам мегамира мы также сталкиваемся с качественными изменениями свойств пространства. Пространство «черных дыр» относительно замкнуто для световых лучей и частиц вещества, движущихся внутри фотосферы «черной дыры». Центральные области сверхмассивных объектов и «черных дыр» могут обладать пространственно-временными свойствами, которые современная наука не в состоянии и предсказать. Понятие объекта с бесконечными плотностью, гравитационным полем и точечными размерами указывает на необычность пространства такого рода. Но скорее всего это характеризует границы применимости современных физических теорий и необходимость перехода к качественно новым и отличным от существующих физическим концепциям.

Обычно интерес вызывают многочисленные парадоксальные особенности пространства-времени, обнаруженные современной наукой, и прежде всего теория относительности и ее толкование. Действительно, в XX в. было доказано, что свойства пространства и времени не являются раз и навсегда данными и неизменными в физических условиях, отличных от нашей жизни. Они могут претерпевать существенные изменения. Специальная теория относительности открыла эффект замедления времени в быстродействующих системах. Обычно эти парадоксы рассматриваются как нечто фантастическое, абстрактное, далекое от реальной жизни и наших повседневных интересов. Однако в представлениях пространства-времени еще очень много неясного, порождающего многочисленные дискуссии ученых:

* Почему наше пространство имеет три измерения?

* Могут ли существовать многомерные миры?

* Может ли время течь в обратном направлении?

* Реально ли четырехмерное пространственно-временное многообразие теории относительности?

* Могут ли существовать материальные объекты вне пространства и времени?

Эти и многие подобные вопросы ставятся на повестку дня современного естествознания. Углубленное изучение этих вопросов показало, что они связаны с фундаментальными свойствами бытия и важны для нашего мировоззрения. Критерий неадекватности пространственно-временного описания создает целый комплекс проблем, связанный с поиском тех положений, которые могли бы быть выбраны и использованы как критерий выбора пространственно-временных моделей. В настоящее время во многих отраслях современного естествознания назревает необходимость нового изменения пространственно-временных представлений, столь же радикального, как и то, которое возникло после создания теории относительности.

N-МЕРНОСТЬ ПРОСТРАНСТВА

Разговоры о возможности пространства большего, чем три числа измерений ведутся постоянно. Подобные мнения навеяны понятием абстрактных многомерных пространств в математике и физике. В физике это понятие используется в качестве удобного способа описания, когда к трем пространственным координатам добавляется время и ряд других параметров. Если число таких параметров вместе с пространственно-временными характеристиками — n, то считается, что они образуют n-мерное пространство. При достаточно большом количестве свойств и взаимосвязанных переменных можно прийти к понятию многомерного и даже бесконечного пространства, но это понятие будет носить довольно условный характер, так как оно будет применяться для характеристик совершенно других свойств.

Если взять, например, стопку листов бумаги (все, что находится в плоскости листа, есть пространство двух измерений) и проколоть эту стопку вилкой, то в каждом листе (пространстве двух измерений) останется след от вилки в виде четырех отверстий. Те, кто «живет» в пространстве двух измерений, никогда не сможет связать эти четыре отверстия в одно целое, т.е. представить, что они являются «следом» вилки, взаимодействия с ней. Таким образом, с позиций двухмерного пространства и его «обитателей», вилка недоступна представлению.

Другой пример. Если представить горизонтальную плоскость, пересекающую вершину дерева параллельно земле, то на этой плоскости разрезы ветвей покажутся отдельными и совершенно не связанными друг с другом. А в нашем пространстве — это разрез ветвей одного дерева, составляющих вместе одну вершину, питающихся от одного корня, имеющих одну тень. Так, может быть, трехмерные тела нашего пространства есть изображения в нашей сфере непостижимых для нас четырехмерных тел? Или, может, всевозможные аномальные явления — это «следы», оставленные в нашем трехмерном пространстве обитателями четырехмерного?

История поиска «иных» измерений полна драматизма, имеет своих пророков и своих злых гениев. Пути науки странны и непредсказуемы, и то, что было отвергнуто в начале века как научное направление, вдруг вызвало пристальный интерес в конце века. Историю любого научного направления следует начинать с его корней. Первые намеки на существование «иных» пространств можно найти еще в работах Джордано Бруно. Но лишь в середине XIX в. физики и математики впервые робко поставили вопрос о возможности существования иных, более высоких измерений. Наиболее просто эта задача решалась математически, и первым вынес ее на обсуждение один из создателей новых неевклидовых геометрий Б. Риман в своей работе «О гипотезах, лежащих в основе геометрий», посвященной, в частности, n-кратно протяженным величинам. Почти в то же время эта проблема стала задевать и физиков, и одним из первых ее коснулся Э. Мах: «Находясь еще под влиянием атомистической теории, я попытался однажды объяснить спектральные линии газов... Затруднения, с которыми я столкнулся при этом, навели меня в 1863 г. на мысль, что нечувствительные вещи не должны быть обязательно представляемы в нашем чувствительном пространстве трех измерений».

Теория относительности Эйнштейна, появившаяся вначале XX в., тогда дала громадный простор для развития физических идей. Эйнштейн был одним из первых, кто покусился на незыблемые до сих пор понятия пространства и времени, показал их зависимость в СТО от системы отсчета, скорости движения, а затем в ОТО — и от напряженности гравитационного поля. Позднее многие ученые стали задумываться над вопросом, почему у нашего пространства именно три измерения или, другими словами, какие особенности отличают геометрию и физику в трехмерном пространстве от геометрии и физики в многомерных пространствах?

В 1917 г. на основе ОТО Эйнштейн создал стационарную замкнутую сферическую модель Вселенной. Характерной чертой этой модели была конечность пространства, хотя, с точки зрения внутренней геометрии, пространство представляется тогда неограниченным. Никакого противоречия в этом нет. Например, поверхность надувного шарика, с нашей точки зрения, является конечной, а с точки зрения мухи, ползающей по ее внутренней поверхности, она будет неограниченной.

Однако при решении стандартных уравнений возникли определенные трудности. Для получения статистических решений Эйнштейн вынужден был ввести некий коэффициент, так называемый космологический член Я. Уравнения, выведенные Эйнштейном, интересны тем, что дают три варианта решения и соответственно три модели, как Вселенной, так и пространства. Пространственно-временной мир Эйнштейна полностью статичен. Его можно представить как цилиндрический 4-мерный мир с неограниченной осью времени, т.е. по этой модели временное сечение пространственно-временного континуума в отличие от пространственного сечения является бесконечным.

В переводе на общедоступный язык мир Эйнштейна — это 3-мерное физическое пространство, искривленное и замкнутое само на себя благодаря присутствию в нем материи, т.е. 4-мерная сфера (гиперсфера), не имеющая ни начала, ни конца во времени. Искривить же трехмерный мир можно только в пространстве 4- и более высокого порядка измерений. Однозначно подразумевается полная равноправность этого четвертого измерения по отношению к трем существующим.

В годы жизни Эйнштейна и после многие ученые выдвигали идеи и представляли теории, связанные с n-мерностью пространства. То, что не удалось когда-то Эйнштейну, довольно успешно решается плеядой современных теоретиков, многие из которых уже стали лауреатами Нобелевских премий. Это А. Салаш, С. Вайнберг, Ш. Глэшоу. В пределах современных теорий Великого объединения им удалось собрать в рамках одной концепции три очень разных вида взаимодействий (гравитационные пока остались «за бортом»), которые могут быть описаны с помощью так называемых калибровочных полей. Основное свойство калибровочных полей состоит в существовании абстрактных симметрий, благодаря которым этот подход открывает широкие перспективы. В возвращенной к жизни теории Калуцы — Клейна симметрии калибровочных полей приобретают конкретность геометрические симметрии, связанные с дополнительными измерениями пространства.

Как и в первоначальном варианте взаимодействия в теории вводятся путем присоединения к пространству-времени дополнительные пространственные измерения. Однако, так как теперь надо дать пристанище взаимодействиям трех типов, приходится вводить не одно, а несколько дополнительных измерений. Простой расчет количества операций, входящих в теорию Великого объединения, требует дополнительно еще 7 пространственных измерений; если же учесть время, то все пространство-время насчитывает 11 измерений. Таким образом, современный вариант теории Калуцы — Клейна постулирует 11-мерную Вселенную, 7 пространственных координат которой свернуты и потому принципиально не наблюдаются.

Науке известны четыре фундаментальных взаимодействия в природе:

* электромагнитное и гравитационное в масштабах макромира;

* слабое и сильное в масштабах микромира.

Однако в последние годы в научных трудах обсуждается возможность существования еще одного дистанционного взаимодействия в макромире — спинового, или торсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля. Физическая природа этого пятого взаимодействия, по-видимому, совершенно иная, чем у остальных четырех взаимодействий, так как передача информации здесь осуществляется вроде бы без затрат энергии.

Современные работы Дж. Уиллера, А. Пероуза, К. Прибрама, П. Дэвиса позволяют наличие этого пятого фундаментального взаимодействия в природе — спинторсионного взаимодействия. Связанные с ним поля (поля кручения) обладают способностью почти безэнергетически передавать информацию в любую часть Вселенной, а также обеспечивают «голографичность» информационных связей во Вселенной

Перспективы использования торсионных полей грандиозны. Достаточно упомянуть новые поколения компьютеров с элементной базой на микроуровне с поистине невероятными вычислительными способностями. Открытие пятого фундаментального взаимодействия перевернет наши представления о природе. Если наш век прошел под знаком электромагнетизма, то следующий будет веком торсионной энергии.

Основные понятия:

· Время – всеобщая объективная форма существования движущейся материи, являющаяся необходимым условием возникновения и сохранения конкретных материальных систем и выражающая структурность, темп и длительность материальных процессов и объективную последовательность событий.

· Пространство – всеобщая объективная форма существования материи, являющаяся необходимым условием возникновения и движения конкретных материальных систем, выражает взаимное расположение материальных систем, их протяженность форму и структуру.

· Принцип относительности выражает характер протекания событий, процессов природы в различных системах отсчета.

· Специальная теория относительности (СТО)– выражает характер протекания событий, процессов природы в инерциальных системах отсчета, движущихся со скоростями близкими к скорости света.

· Общая теория относительности (ОТО) – выражает характер протекания событий, процессов природы в инерциальных системах отсчета.