Современный статус концепций пространства и времени в физике

     Указывая на чисто относительный характер пространства и времени, Лейбниц пишет: «Считаю пространство так же,как и время, чем-то чисто относительным: пространство-порядком сосуществований,а время-порядком последовательностей».Предвосхищая положения теории относительности Эйнштейна о неразрывной связи пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться в «отвлечении» от самих вещей. «Мгновения в отрывае от вещей ничто,-писал он,- и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей. Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция пространства и временибыла недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А.Эйнштейном. Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца 19 века.

    Основные положения этой картины мира, связанные с пространством и временем, заключаются в следующем:

•                      Пространство считалось бесконечным, плоским, «прмолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное,пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них инерциальная система.

•                      Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и син хронно» и выступает как независимый от материальныз объектов процесс длительности. Фактически классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени «показывать продолжительность события». Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.

•                      Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея-Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в классической механике.

•                      Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного пространства, существующего независимо от времени.

      До 19 века физика была в основном физикой вещества, то есть она рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в 19 веке выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механическими свойствами тел.

       5.М.Фарадей, Дж.К. Максвелл.

   Если в механие Ньютона силы зависят от расстояний между телами и направлены по прямым,то в электродинамике, созданной в 19 веке английскиими физиками М.Фарадеем и Дж.К.Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела. А распространение сил просиходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал Эйнштейн, с развитием элктродинамики и оптики становилось все очевиднее, что» недостаточно одной классической мехаики для полного описания явлений природы». Из теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распрстранения электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого элктромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранеия и принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля.

   Итак, в физике 19 века появляется новое понятие- «поле», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона». Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного  поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйнштейн, теория  относительности возникает из проблемы поля.

      Специального объяснения в рамках существовавшей в конце 19 века физической картины мира требовал и отрицательный результат по обнаружению мирового эфира, полученный американским физиком А.Майкельсоном. Его опыт доказал независимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению. Некоторые физики пытались истолковать их как указывающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлени движения под действием возникающих при этом электромагнитных сил.

     Создатель электронной теории материи Х.Лоренц вывел математические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времни между событиями, происхоящими на них, в зависимости от скорости движения. Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении ( что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.

Таким образом, относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий. Иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство,и время.

IV.Современный статус концепций пространства и времени в физике.

1.                 Пространство и время в теории относительности А.Эйнштейна.

    Специальная теория относительности, созданная в 1905 году А.Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца. «Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем».

Если бы были найдены абсолютные пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относитльности, в соответствии с которым инерциальные систеы равноправны. Создатель теории относитльности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. «Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости тела, требуется бесконечное количество энергии,и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света».
Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться на с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю. Замечательный русский поэт Л.Мартынов сказал об этом так:
 

Это почти неподвижности мука,

Мчаться куда-то со скоростью звука,

Зная при этом, что есть уже где-то

Некто, летящий со скоростью света.

И в самом деле, скорость звука всего лишь 340 м/с. Это неподвижность по сравнению со скоростью света. Из этих двух принципов-постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея-математически следуют все положения специальной теории относительности. Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутки времени, массы для разных систем отсчета будут различными. Так,длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к покоящейся. По формуле:

где      - длина тела в движущейся системе со скоростью    по отношению к неподвижной системе

           -длина тела в покоящейся ситеме

Для промежутка же времени, длительности какого-либо процесса-наоборот. Время будет как бы растягиваться, течь медленнее в движущейся системе по отношению к неподвижной, в которой этот процесс будет более быстрым.

2.                 Свойства пространства и времени.

  Какие же основные свойства пространства и времени мы можем указать? Прежде всего пространство и время объективны и реальны, то есть существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней. Однако в истории науки и философии существовал и другой взгляд на пространство и время-как только субъективных всеобщих форм нашего созерцания. Согласно это точке зрения пространство и время не присущи самим вещам, а зависят от познающего субъекта. В данном случае преувеличивается относительность нашего знания на каждом истоическом этапе его развития. Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И.Канта. Пространство и время являются так же универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов,которые существовали бы вне пространства или вне времени. У Гегеля высшей реальностью является абсолютная идея, или абсолютный дух, который существует вне пространства и вне времени. Только производная от абсолютной идеи природа развертывается в пространстве. Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин-координат. В прямоугольной декартовой системе координат это- X, Y, Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат- радиус-вектор r и углы альфа и бетта. В цилиндрической системе- высота z, радиус-вектор и угол альфа.

    В науке используется понятие многомерного пространства (n-мерного).  Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному пространству оно не имеет отношения. Каждая координата, например 6-мерного пространства, может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности: температуру, плотность, скорость, массу и т. д. В последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10-пространственных и 1-временное. Затем з них возникает 4-мерный континуум ( от лат.-непрерывное, сплошное).В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время-необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будушему. Нельзя возвратиться назад в какую0либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-то промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необратимость времени и его направленность определяются причинной связью, так как причина всегда предшествует следствию. Однако очевидно, что понятие предшествования уже предполагает время. Более прав поэтому Г.Рейхенбах, который пишет: «Не только временной порядок, но и объединенный пространственно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными целями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры вселенной».

     Необратимость времени в макроскопических процессах находит свое воплощение в законе возрастания энтропии. В обратимых процессах энтропия (мера внутренней неупорядоченности системы) остается постоянной, в необратимых-возрастает. Реальные же процессы всегда необратимы. Взамкнутой системе максимально возможная энтропия соответствует наступлению в ней теплового равновесия: разности температур в отдельных частях системы исчезают и макроскопические процессы становятся невозможными. Вся присущая системе энергия превращается в энергию неупорядоченного, хаотического движения микрочастиц, и обратный переход тепла в работы невозможен. Писатель-фнтаст Р.Брэдбери в одной из своих повестей иллюстрирует свойство необратимости и однонаправленности времени на примере эксперимента, который якобыпроводят существа, обитающие в четвертом измерении, над землянами. Они ставят над небольшим городком колпак, представляющий собой слой воздуха, в котором время на одну секунду отстает от течения времени в городке. Машины, идущие в город или из города, самолеты, взлетающие в воздух, обнаруживают вдруг невидимое препятствие для тех, кто мог бы проникнуть в город или выйти из него.

     Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время- однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек,а изотропность-равноправие всех направлений. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественноей точки отсчета, любую можно принимать за начальную. Указанные свойства пространства и времени связаны с главными законами физики-законами сохранения. Если свойства системы не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон сохранения. Это-одно из существенных выражений симметрии в мире. Симметрии относительно сдвига времени ( однородности времени) соответствует закон сохранения энергии, симметрии относительно пространственного сдвига (однородности пространства)-закон сохранения импульса, симметрии по отношению поворота координатных осей (изотропности пространства)- закон сохранения момента импульса, или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-временного интервала, его инвариантность и абсолютность по отношению ко всем системам отсчета.

В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени. Эти понятия введены в связи с особеннотями проявления пространственно-временных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут быть существенно отличны. Так, биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть. Одним из первых проблему биологического пространства и времени начал анализировать В.И.Вернадский. Специфику биологического пространства он связывал с важнейшим отличительным признаком живого-наличием асимметричности пространственной структуры органических молекул. Впервые свойство ассиметрии органических молекул было обнаружено французским ученым, основателем научной микробиологии Луи Пастером. Развивая идеи Пастера, В.И.Вернадский представил молекулярную асимметрию как особое свойство пространства, связанно с жизнью. Неотъемлимым признаком живого, по мнению Вернадского, являетя особая симметрия пространства, занятого живым веществом, а именно-резкое проявление левизны в материальном суьстрате живого вещества. Под живым веществом Вернадский подразумевает всю совокупность растительных и животных организмов, в том числе и человека. Из особенностей биологического пространства Вернадский выводил и особенности протекания, в том числе прерывности и непрервыности, биологического времени. Это время должно отвечать пространству специфического строения живого вещества и не противоречить ему. Оно является определенным параметром состояния живого вещества. Вернадский объединяет его в единое биологическое пространство-время и связывает с ним процессы смены поколений, старения многоклеточных организмов, а так же смерть как разрушение пространства-времени тел организмов. Действительно, как установила современная биохимия, все живое, в отличие от неживого, обладает фундаментальным свойством: белки содержат только «левые» аминокислоты, а нуклеиновые кислоты-только «правые» сахара. Главный биологический смысл этой асимметрии живого-в обеспечении молекулярно-пространственной комплементарности (соответствия) при взаимодействии молекул. Это особенность пространственной ассиметрии живого известна в современной науке под названием хиральности ( от греч.-рука). Возникновение хиральной чистоты живого, как подтверждают современные научные исследования, произошло на определенном этапе эволюции природы. На этом этапе под действием пока неизвестных науке причин наступло полное разрушение зеркальной симметрии предбиологической среды. И только затем началось образование в хирально чистой среде коротких и нуклеотидных цепочек-простейших ниток будущих ДНК и РНК.