Современные представления о пространстве и времени

- принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. механические, электродинамические, оптические и прочие явления и процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света в вакууме является одним из фундаментальных свойств природы. Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время. Из специальной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.

Разделение на пространство и время не имеет смысла. Пространство и время в специальной теории относительности трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако когда Эйнштейн попытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчёта, это привело к созданию  новой  теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект. Новая  теория - общая  теория  относительности - строилась путём  построения  обобщённого пространства - времени и перехода от теоретической структуры  исходной теории - специальной теории относительности - к  теоретической  структуре новой, обобщённой теории с последующей  её эмпирической  интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.

3. Пространство и время в  общей теории относительности и в релятивистской космологии.

В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Эта теория подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства, и отступление его метрики от евклидовой с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности:  "физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением". Принцип эквивалентности помог  сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности  инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это - модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики - модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана). Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца - достаточно небольшой звезды по космическим мерка - влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала - при таком же  вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

  Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна  избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчёта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции  пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории  относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым.  Речь идет о следующем положении специальной   теории относительности: "...двум выбранным материальным точкам покоящегося  тела  всегда соответствует некоторый  отрезок  определённой длины, независимо как  от положения и ориентации тела, так и от  времени. Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой  системы  координат, всегда   соответствует интервал времени определённой величины, независимо от места и времени". Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени. [2]

  В  работе "Относительность и проблема пространства" Эйнштейн специально  рассматривает  вопрос о специфике  понятия пространства  в  общей   теории относительности. Согласно этой теории пространство не существует   отдельно, как нечто противоположное   "тому,  что  заполняет  пространство"  и  что зависит от координат. "Пустое пространство, т.е. пространство без поля не  существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля". Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга, и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме. [4]

Рассмотрим далее релятивистскую космологию, именно с ней связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.

Классические представления о Вселенной можно охарактеризовать  следующим образом: вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна во времени. Они являлись одним из следствий механики Ньютона - это абсолютные пространство и время, последнее по своему характеру евклидово. Такая  модель казалась очень гармоничной и единственной, на уровне бытового сознания данная модель доминирует и в начале нашего 21-го века.

Однако первые попытки приложения к этой модели физических законов и концепций привели к неестественным выводам. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений (стационарность Вселенной, её однородность и   изотропность,   эвклидовость  пространства), чтобы преодолеть противоречия. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.

Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана   с   ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных  положений  классической космологии: общая  теория   относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной. Возможность для пространства и времени иметь различные значения   постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна ли вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. эвклидовость пространства и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.[4]

     Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе   неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и  безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во  времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией  относительности, вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо   расшириться, либо сжаться.   Чтобы   устранить   это   противоречие   Эйнштейн  ввёл  в  уравнения теории новый член с помощью которого во вселенную вводились  новые   силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.

  Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической  моделью Вселенной. Впервые нестационарная модель была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства оказались изменяющимися во  времени. Выяснилось, что Вселенная расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э. Хабблом, который наблюдал  красное смещение спектра. Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с  расстоянием и подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. В связи с этим  встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема  начала времени. Существует  гипотеза, что такое  название как "разбегание галактик" - наглядное обозначение раскрытой космологией  нестационарности пространственной   метрики. Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а  расширяется само пространство. [1]

  Вторая проблема связана с представлением о начале времени. Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t=0, когда произошёл так называемый «Большой взрыв», понятие времени до этого момента лишено физического, да и любого другого смысла".

В релятивистской космологии была показана относительность конечности и  бесконечности времени в различных системах отсчёта. Это положение особо чётко отразилось в представлениях о "чёрных дырах".  Речь идет об  одном из  наиболее  интересных явлений  современной   космологии  -  гравитационном  коллапсе. С.Хокинс и Дж. Эллис  отмечают: "Расширение Вселенной во многих отношениях  подобно  коллапсу звезды, если не считать того, что  направление времени при расширении обратное".

Как "начало"  Вселенной, так  и процессы в "чёрных  дырах" связаны  со  сверхплотным состоянием  материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда. Независимо от того, в каком состоянии  космический объект пересёк соответствующую сферу Шварцшильда, далее он  стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного   коллапса. После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство -  время: образуется "чёрная дыра".

Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени (пространственно-временной континуум), была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Экспериментальных данных, противоречащих применению теории относительности в микромире, пока нет. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.

4. Пространство и время на уровне микромира

В квантовой механике была найдена принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам. В квантовой физике была поставлена  важная проблема о необходимости пересмотра пространственно-временных представлений  классической физики. Они оказались  лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях.

Квантовая механика была положена в основу бурно                                                             развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не создана обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды  взаимодействий и специфические свойства пространственно - временных  отношений. Область доступных в эксперименте микроскопических интервалов  условно делится на четыре уровня:

• уровень молекулярно -  атомных  явлений,
• уровень релятивистских  квантовоэлектродинамических  процессов, 
• уровень элементарных частиц, 
• уровень ультрамалых масштабов, где пространственно - временные отношения   оказываются  несколько  иными, чем в физике макромира.

В этой области  по-иному следует понимать природу пустоты - вакуум. В квантовой   электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и  поглощающихся фотонов и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривают  как особый вид материи - как поле в состоянии с минимально возможной энергией.  Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что  пространство  и  время нельзя оторвать от материи, что так называемая "пустота" - это одно из состояний материи.[5]

          Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства и времени. После создания теории относительности и квантовой механики учёные попытались объединить эти две фундаментальные  теории.

Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечёт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения "раньше" и "позже". В области нелокального  взаимодействия события связаны в некий "комок",  в котором они  взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.

Таково принципиальное положение дел, сложившееся в представление о пространстве - времени на микроуровне, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени на области "малые", где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в теории новой константы размерности  длины - элементарной длины. С этим "атомом" пространства связан  и элементарный момент  времени (хронон), и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц. Теория дискретного  пространства - времени продолжает развиваться. Открытым остаётся вопрос о внутренней структуре "атомов" пространства и роли (наличии) времени и пространства в них.

5. Единство и многообразие свойств пространства и времени