Представления о пространстве и времени
Все, что нас окружает, имеет пространственно-временное измерение, так как для описания любого объекта необходимо знать его количественные характеристики, связанные с измерением длин и длительностей. Для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.
В обыденном представлении пространство обычно понимается как некая протяженная пустота, в которой могут находиться какие-либо предметы, а время – как поток событий, длительность бытия, последовательность существования. Эти понятия складываются у человека с детства на основе наблюдения и практического использования окружающих предметов. Тем не менее, вопрос о природе пространства и времени до сих пор остаётся одним из самых сложных и загадочных для человека. Вспомним слова Августина Блаженного: «Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься, – и вот я уже не знаю, что есть время».
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, хотя их рассуждения носили стихийный, нередко противоречивый характер. Для Демокрита пространство ассоциировалось с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов, это вместилище материальных тел. Другие древнегреческие философы (например, Аристотель) не признавали существования пустоты и связывали пространство с материальными телами, характеристикой которых оно являлось.
Строгое теоретическое описание пространства и времени появилось в Новое время (XVII-XVIII вв.). Декарт ввёл в науку координатную систему, в которой состояние материального тела описывалось с помощью трех пространственных и одной временной координаты. Он отождествлял пространство с протяжённостью материальных объектов, отрицая существование пустого пространства. Время Декарт связывал с длительностью материальных процессов, с осознанием человеком этой длительности.
Ньютон попытался объединить существующие в науке точки зрения на пространство и время. Он ввёл в науку господствовавшие до начала ХХ в. представления об абсолютном и относительном пространстве и времени. Абсолютные пространство и время понимались как внешние, независимые от материи условия бытия, которые сохранились бы даже при исчезновении материи. Абсолютное пространство – универсальное вместилище всего существующего в мире, всегда одинаковое и неподвижное (гигантский «черный ящик».) Абсолютное время – универсальная длительность любых процессов во Вселенной (образ гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких тел). Относительные пространство и время – постигаемые чувствами протяжённость объектов и длительность событий.
Разграничение абсолютного и относительного пространства и времени, произведённое Ньютоном, связано со спецификой человеческого познания, которое происходит на двух уровнях – теоретическом и эмпирическом. На эмпирическом уровне человек воспринимает пространство и время через органы чувств – субъективно и поэтому «относительно». На теоретическом уровне, обобщая, человеческий разум пытается представить пространство и время как универсальные и независимые – абсолютные категории.
Абсолютное пространство и время Ньютона предстают в качестве совершенно самостоятельных, независимых от материальных процессов элементов бытия, как универсальные условия, в которые помещена материя. Правда, Ньютон считал, что материя, пространство и время подвластны Богу, который является единственной подлинной реальностью.
Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний соперник Ньютона – немецкий математик и философ Г. Лейбниц. Он считал, что пространство и время не могут существовать самостоятельно, независимо от материи. Но его взгляды не пользовались успехом. Утвердились представления Ньютона: пространство – абсолютное, бесконечное, плоское, пустое, однородное и изотропное; время – абсолютное, однородное и равномерное.
Существовали и другие концепции пространства и времени, которые ставили их в зависимость от человеческого сознания. Известные философы и учёные Дж. Беркли, Э. Мах, Р. Авенариус (так называемые субъективные идеалисты) выводили пространство и время из способности человека переживать и упорядочивать события. И. Кант рассматривал пространство и время как априорные формы чувственного созерцания, вечные категории сознания.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна, в которой пространство и время стали рассматриваться как атрибуты материи, определяющиеся её свойствами.
Теория относительности стала результатом обобщения классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины ХIХ в. возникли серьёзные противоречия, касающиеся, в частности, механизма распространения света. В механике господствовал принцип относительности Галилея(согласно которому все механические явления в инерциальных (т.е. покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно) системах отсчета протекают одинаково), утверждавший равноправность всех систем отчёта, а в электродинамике – концепция эфира, являющегося абсолютной системой координат, выделяемой перед всеми другими. Не удавалось объяснить с позиций классической механики, почему скорость света имеет постоянную величину, не зависящую от скорости движения источника света.
Существование эфира долгое время не подвергалось сомнению. После выдвинутого Максвеллом предположения о том, что свет является электромагнитной волной, распространяющейся в мировом эфире, не хватало только решающего эксперимента, который доказал бы, что наша планета движется сквозь эфир. Считалось, что при этом возникает «эфирный ветер», сносящий свет от земного источника в направлении, противоположном движению планеты.
Такой эксперимент был проведен в 1887 г. А.Майкельсоном и Э. Морли, но никакого «эфирного ветра» им обнаружить не удалось, несмотря на высокую точность эксперимента. Полученный результат невозможно было объяснить ни в рамках классической механики, ни с помощью электродинамики. Пытаясь найти иное объяснение, нидерландский физик Х.А. Лоренц предложил гипотезу о сокращении размеров всех тел в направлении движения и вывел соответствующие математические уравнения (преобразования Лоренца). Эйнштейн следующим образом интерпретировал их: он показал, что они описывают не реальные изменения размеров тел, а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. От концепции абсолютного пространства и времени пришлось отказаться.
Специальная теория относительности (СТО), предложенная Эйнштейном в 1905 г., основывалась на двух постулатах:
1) расширенном принципе относительности, справедливом не только для механических, но и электродинамических явлений (все физические явления происходят одинаково в инерциальных системах отсчёта);
2) принципе постоянства скорости света (скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости движения источника и приемника света).
Из СТО следовали выводы: относительны не только скорость и движение тел, но и их пространственно-временные характеристики, они зависят от скорости движения тел. Относительным является и понятие одновременности событий. Не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как и абсолютного времени. Пространство и время имеют относительный характер, и результаты их измерения зависят от того, в какой системе отсчета они измеряются. При движении с большими скоростями линейные размеры тел сокращаются, а масса тел и время протекания процессов увеличиваются. Эти изменения, получившие название релятивистских эффектов, становятся заметными при скоростях, сравнимых со скоростью света. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый четырехмерный континуум, включающий три пространственных и одну временную координату.
Общая теория относительности (ОТО), появившаяся в 1916 г., описывала движение в поле действия гравитационных сил, поэтому ее нередко называют теорией тяготения. Она основывалась на трех постулатах:
1) расширенном принципе относительности, утверждавшем, что все физические явления происходят одинаково не только в инерциальных, но и в любых системах отсчета (например, в неинерциальных – движущихся с замедлением или ускорением);
2) принципе постоянства скорости света (таком же, как в СТО);
3) принципе эквивалентности инертной и гравитационной масс, согласно которому невозможно отличить эффекты, возникающие под действием сил гравитации и ускорения.
Из этой теории следовало, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тела происходит не только при движении с большими скоростями, но и в гравитационных полях. Под действием гравитации происходит искривление пространства-времени. Чем больше масса тела, тем больше степень кривизны пространства-времени вокруг него. Так, Земля создаёт вокруг себя искривлённое пространство-время, которое называется полем тяготения и заставляет все тела падать на Землю. Для его описания используется не геометрия Евклида, имеющая дело с плоским пространством, а неевклидова геометрия, разработанная Н.Лобачевским, Б. Риманом и Я. Больяй.
В сильных гравитационных полях происходит замедление времени. Оно тем больше, чем сильнее тяготение. В очень сильном гравитационном поле время может и вовсе остановиться. Замедление времени проявляется в гравитационном красном смещении света: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина волны и уменьшается его частота. Если звезда, имеющая к концу жизни массу более трех масс Солнца, в результате коллапса сожмется до размеров гравитационного радиуса, то превратится в «черную дыру» - объект, создающий столь сильное тяготение, что красное смещение для испускаемого им света обратится в бесконечность. С поверхности такого объекта не сможет вылететь ни одна частица света – он станет невидимым, а время вблизи его гравитационного радиуса остановится для внешнего наблюдателя.
Теория Эйнштейна тестировалась как прямыми, так и косвенными методами. К косвенным относятся опыты, подтверждающие принципы, взятые Эйнштейном за основу теории. Например, уточнения равенства инертной и гравитационной масс (принципа эквивалентности), выполненные венгерским физиком Л. Этвишем и американским исследователем Р. Дикке в 1964 г. К числу косвенных подтверждений можно причислить и открытое американским астрономом Э. Хабблом расширение Вселенной, и обнаруженное его соотечественниками А. Пензиасом и Р. Уилсоном реликтовое излучение, заполняющее Вселенную. Прямым подтверждением теории Эйнштейна является ее полное соответствие с результатами астрономических наблюдений за искривлением световых лучей и замедлением радиолокационных сигналов, проходящих в гравитационном поле Солнца, смещением спектральных линий звезд и движением перигелия орбиты Меркурия.
Представления о пространстве и времени, сформулированные в рамках теории относительности, являются на сегодняшний день наиболее последовательными. Но развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о пространстве и времени. Уже сейчас некоторые учёные говорят о возможности существования кванта пространства и кванта времени.