Пространство и время

Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел математические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими в 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Пространство  и время в свете теории относительности  А. Эйнштейна

 

Специальная теория относительности, созданная в 1905г. 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»1.

 Если бы были найдены абсолютные пространство и время, а следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы равноправны. Создатель теории относительности 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 света, 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»2.

Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни 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 (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальньгх систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными.

В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства–времени определяется распределением масс материи. Когда корреспондент американской газеты «Нью-Йорк Таймс» спросил Эйнштейна в апреле 1921 г., в чем суть его теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время».

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Свойства пространства  и времени

 

Какие же основные свойства пространства и времени мы можем указать? Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, т.е. 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 – только как на субъективные всеобщие формы нашего созерцания.

Согласно этой точке зрения, пространство и время не присущи самим вещам, а зависят от познающего субъекта. В данном случае преувеличивается относительность нашего знания на каждом историческом этапе его развития. Эта точка зрения отстаивается сторонниками философии И. Канта.

Пространство и время являются также 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, У, Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат – радиус-вектор r и углы а и b. В цилиндрической системе – высота z, радиус-вектор и угол а.

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 из них возникает 4-мерный континуум (лат. continuum – 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 будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной 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 цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры Вселенной»1.

Для характеристики однонаправленности и необратимости времени английский астрофизик А. Эддингтон в 1928 г. ввел понятие, «стрела времени». Оно применимо в описании таких природных процессов, которые протекают спонтанно, самопроизвольно и только в одном направлении. К ним относится большинство реальных физических процессов (теплопередача, теплообмен, диффузия, вязкость, распад элементарных частиц, процессы с трением), а также процессы космической, химической, биологической и психологической эволюции.

При описании этих процессов в современной научной картине мира принято различать три стрелы времени: термодинамическую, психологическую, космологическую. Термодинамическая стрела времени характеризует то направление времени, в котором энтропия возрастает. Максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.

Психологическая стрела времени связана с особенностями восприятия длительности протекающих в мире процессов органами чувств человека. Она позволяет установить различие между прошлым, настоящим и будущим и характеризует направленность времени от прошлого к будущему. При этом нельзя отождествлять процедуру измерения времени с самим временем.

Космологическая стрела времени определяет направление эволюции нестационарной, неравновесной Вселенной. Согласно современной космологической модели А.А. Фридмана – Э. Хаббла, Вселенная расширяется, а не сжимается. По предположению американского физика Р. Дикка, Вселенная расширяется не в пустоту, а в среду, уже заполненную элементарными частицами. Они вступают во взаимодействие с нашей Вселенной и в процессе расширения Вселенной оказываются в ней. Так происходит, по мнению Дикка, пополнение нашей Вселенной «новой материей»2.

Термодинамическая, психологическая и космологическая стрелы времени совпадают по направлению, что и создает возможности для существования и развития разумных индивидов.

Существование стрелы времени не могло быть доказано в рамках классической механики, поскольку механистический детерминизм не обладает таким важнейшим свойством, как необратимость во времени. Раскрывая законы статики и динамики материальных объектов, он не формулирует теоретический аппарат для описания их эволюции и развития.

Необратимость времени не была осмыслена и в теории относительности А. Эйнштейна. В том виде, в каком время входит в принципы теории относительности, оно не содержит различие между прошлым и будущим. Во второй половине XX в. с появлением синергетики и физики неравновесных процессов появилась возможность математическим путем объяснить существование стрелы времени. При этом синергетика исходит из следующих положений.

Все системы, допускающие несводимое вероятностное описание, будут считаться хаотическими, так как эти системы можно описать не в терминах отдельных траекторий, а только в терминах пучков (ансамблей) траекторий.

Хаос позволяет включить стрелу времени в фундаментальное описание материальных систем.

Вероятностное описание системы в терминах пучка (ансамбля) траекторий невозможно и не может быть применимо к отдельной траектории. И в таком необратимом вероятностном описании прошлое и будущее играют различные роли.

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 в отношении 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 «биологическое», «психологическое» и «социальное» пространство и время. Эти понятия введены в связи с особенностями проявления пространственно-временных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут существенно отличаться. Так, биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смена 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 асимметрии органических молекул было обнаружено французским ученым, основателем научной микробиологии Луи Пастером. Развивая идеи Пастера, В.И. Вернадский представил молекулярную асимметрию как особое свойство пространства, связанное с жизнью.

Неотъемлемым признаком живого, по мнению Вернадского, является особая симметрия пространства, занятого живым веществом, а именно, резкое проявление левизны в материальном субстрате живого вещества2. 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 непрерывности, 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 также смерть как разрушение пространства – времени тел организмов.

Таким образом, возникновению биологических объектов и связанного с ними биологического пространства – времени предшествовали определенные этапы эволюции пространственно-временных свойств неорганических объектов.

Наиболее явственно отличия пространственно-временных свойств выступают на следующем этапе эволюции, когда под действием поисковой и трудовой деятельности, перестройки физиологических механизмов деятельности мозга происходит становление человеческой психики. Одновременно идет формирование нового феномена – психологического пространства и времени. Психическая регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства.