Пространство и время как формы существования материи

В мире изменяются сосуществующие, протяженные объекты, сменяющие друг друга и имеющие некоторую длительность.

Пространство и время - всеобщие формы существования материи: нет материи, не обладающей пространственно-временными характеристиками, не существует пространство и время сами по себе, вне материи и независимо от нее. Ленин: «В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и времени.

Пространство - это такая форма бытия материи, в которой выражаются отношения сосуществования, рядоположенности, протяженности объектов.

Время - форма бытия материи, в которой выражаются всеобщие связи между сменяющимися, следующими друг за другом, длящимися объектами.

Структурная организация материи дает представления:

1) о взаимодействии элементов внутри объектов (протяженность), что ограничивает их от других объектов;

2) о месте, которое предмет занимает среди других предметов.

Пространство - свойство объектов быть протяженным, занимать место среди других объектов, граничить с ними. Следовательно, понятие пространства имеет смысл лишь постольку, поскольку сама материя дифференцирована, структурирована.

Все объекты материального мира находятся в движении и развитии, т.е. это процессы с определенными стадиями. Смена стадий может характеризоваться некоторой повторяемостью, наступать быстрее или позже. Отсюда возникает понятие длительности, ритма, темпа. А представление о времени имеет смысл постольку, поскольку мир находится в состоянии движения и развития.

Понимание пространства и времени может быть материалистическим и идеалистическим.

Материализм: пространство и время - присущи материи как ее формы существования.

- Метафизическая точка зрения (Ньютон): объективные пространство и время существуют независимо от материи, они ее не порождают, это внешние условия существования материи.

- Диалектическая точка зрения (Эйнштейн): структура и свойства пространства и времени зависят от уровня организации и форм движения материи.

Идеализм: пространство и время - формы восприятия внешнего мира человеческим сознанием (объективный идеализм Канта) или свойства индивидуального сознания, с помощью которых воспринимаются материальные объекты (субъективный идеализм Беркли).

В истории культуры существуют два подхода к пониманию пространства и времени:

1. Субстанциональный (классический) (Ньютон, Демокрит): пространство и время - это особые сущности, существующие независимо от материальный объектов. Пространство - это вместилище для тел, время - абсолютная длительность, поток, в котором пребывают тела. Пространственные характеристики предмета - протяженность, размерность, порядок расположения. Временные характеристики предметов - длительность, смена их состояний, темп и развитие процессов. Очевидно, что пространство и время выступают как самостоятельные, независимые от материи субстанции, они даже более субстанциональны, чем сам материальный мир, поскольку определяют его существование.

2. Реляционный (неклассический) ( Лейбниц, Эйнштейн): пространство и время - это особые отношения между объектами и процессами, и вне их не существуют. Сам Эйнштейн отмечал отличие своей физики от классической так: «До меня считали, что, если исчезнет материя, то останутся пространство и время. Я же показал, что если исчезнет материя, исчезнет и пространство, и время». В 1905 г. Эйнштейн создал специальную теорию относительности, которую он изложил на 5 страницах. В ней он описал математическую зависимость изменения свойств пространства и времени от характера движения материи, точнее, от скорости тела.

Согласно теории относительности пространство не трехмерно, а время не линейно. Пространство и время тесно переплетены и образуют т.н. пространственно-временной континуум. Поток времени не является равномерным и однородным, он зависит от позиции наблюдателя и от скорости наблюдаемого тела.

В конце раздела приводится выдержка из книги знаменитого английского физика Стивена Хокинга «Краткая история времени». Он пытается ответить на вопросы, интересующие нас всех: откуда взялась Вселенная, как и почему она возникла, каков будет ее конец (если вообще будет). С. Хокинг делает это настолько увлекательно и доступно, что книга, написанная в 1988 году, является бестселлером по сей день. На выделенных страницах можно найти материал по проблеме пространства и времени.

Взаимосвязь пространства и времени и движущейся материи:

I. При переходе от одной системы отсчета к другой пространственно-временные интервалы меняются. При увеличении относительной скорости движения системы отсчета пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются. При скорости движения = скорости света 300000 км/с пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются, т.е. течение времени замедляется примерно в 70 раз.

Скорость света C - ≈ 300 тыс. км/сек. Для выхода на орбиту ракете необходимо набрать скорость 11 км/сек., для ухода с орбиты - 18 км/сек, 30 км/сек. - предельный разгон космических аппаратов сейчас. Эти скорости несопоставимы с С, макротела со скоростью света двигаться не могут, они теряют массу покоя. Но даже при них наблюдаются следующие явления: сверхточные часы за год полетов отстают на несколько секунд, дрозофила на космическом корабле «Салют -7» в течение полугода дала на 2-3 поколения меньше, чем земная дрозофила.

В поле действия больших гравитационных масс пространство имеет другую геометрию: существуют искривленные пространства (геометрия русского Лобачевского - немца Римана - венгра Бойяи), в которых луч света искривляется. В неевклидовых геометриях кратчайшее расстояние между двумя точками - не прямая,; сумма углов в треугольнике оказалась больше 360⁰ (выпуклое пространство), или меньше 360⁰ (вогнутое пространство). Эйнштейн сделал вывод, что такие вогнуто-выпуклые пространства существуют в поле гравитации больших масс, например, планеты Юпитер, которая является самой большой планетой солнечной системы. Это подтвердилось при полете станции «Пионер-7», которая «пропала» около Юпитера, т.к. расчеты велись в евклидовой геометрии. По теории Лобачевского она должна была быть в другом месте, где и была обнаружена. Расчеты полета американской станции «Пионер-10» уже велись в геометрии Лобачевского, «Пионер-10» уже покинула пределы Солнечной системы.

Теория относительности является наглядным свидетельством того, что новейшие результаты современной науки все в большей мере противоречат показаниям наших органов чувств и здравому смыслу, что создает психологические и познавательные трудности. Так, пушка в искривленном пространстве могла бы стрелять из-за угла, видели бы мы тоже из-за угла.

II. В природе не существуют отдельно пространство и время, существует единое пространство-время. Пространственно-временной интервал всегда остается инвариантным.

III. Свойства пространства-время зависят от характера движения материи.

Всеобщие свойства пространства и времени:

1. Объективность, независимость от сознания человека;

2. Неразрывная связь друг с другом и с движением материи;

3. Относительность пространства и времени, т.е. обусловленность пространственно-временных характеристик типом взаимодействия объектов и формой движения материи. Можно выделить относительность в смысле эйнштейновской в микро-, макро- и мегамире. Можно выделять различные типы пространства и времени. Наши обыденные представления о пространстве и времени - представления классической физики, их нельзя отождествлять сутью пространства и времени вообще.

4. Бесконечность пространства и времени. Бесконечность пространства и времени лучше всего понимать качественно, т.е. на разных уровнях организации материи можно столкнуться с качественно различными структурами пространства и времени.

Качественное многообразие форм пространства и времени:

1. Пространство и время в неживой природе. Пространственно-временные особенности существуют на мега-, макро-, микроуровнях. Так, физический вакуум имеет 10-мерные характеристики.

2. Пространство и время в живой природе. Пространственно-временная организация живого характеризуется ассиметрией «левого» и «правого», и доминирует левизна. Это особенность биологического пространства.

3. Пространство и время в социальной материи. Социальное пространство - это часть природы, ставшая сферой жизнедеятельности человека, наполненная человеческим смыслом. Пространство социальное неоднородно: «рай» и «ад», «этот» и «тот» миры. Социально-историческое время течет неравномерно. Оно уплотняется и ускоряется с развитием. Социальное время меряется историческими событиями.

Выводы реляционной точки зрения на пространство и время:

1. Вся Вселенная распадается на ряд относительно изолированных систем, характеризующимися своими собственными временным и пространственными параметрами. Условно можно выделять:

- механическое пространство и время (конфигурация тел);

- физические пространство и время (пространственная ориентация спина задает характеристики организации материи);

- химические пространство и время (конфигурация атомов и молекул задает специфику химических элементов);

- биологическое пространство и время (отношения между живыми организмами и экосистемами);

- психофизиологические пространство и время (у каждого человека своя мера пространства и времени, которые и задают психофизиологическую активность)

- социальные пространство и время.

2. Разные пространственно-временные организации должны быть как-то вписаны друг в друга. Физические, химические формы принимают участие в формировании более сложных пространственно-временных структур. И эти более сложные структуры должны учитывать низшие, менее организованные. Например, ассиметрия функций головного мозга: правое, образное полушарие связывает человека с физико-химической пространственно-временной организацией, а возникновение левого, абстрактного полушария определяется социальными воздействиями и следовательно социальным пространством-временем. Между тем, у животных ассиметрии мозга не наблюдается.

3. На определенном этапе развития материи возникают социальные пространство (культурное пространство) и время (связь исторически значимых событий).

Свойства пространства:

-протяженность;

- связность, непрерывность;

- трехмерность (n-мерные пространства возникают, когда к трем пространственным характеристикам добавляются параметры, которые влияют на протекание явлений в данной системе (искривленность и др.);

- симметрия и ассиметрия;

- изотропность (одинаковость свойств по всем направле­ниям).

Свойства времени:

- длительность;

- непрерывность;

- одномерность;

- ассиметричность;

- необратимость, время течет только в одном направлении – из прошлого через настоящее в будущее;

- однородность.

Размерность пространства и времен: трехмерное пространство и одномерное время являются фундаментальными характеристиками нашей Вселенной.

Чтобы произвести отсчет времени, мы берем за эталон некоторый периодически повторяющийся процесс и сравниваем его с более сложными, непериодическими процессами.

Периодические процессы - вращение Земли вокруг своей оси, вокруг Солнца, ритмы работы внутренних органов человека, его мозга. Чувство времени как раз и образуется при сравнении эталонного периодического процесса и сравниваемого.

Отрывок из книги Стивена Хокинга.[4]

Специальная теория относительности позволила объяснить постоянство скорости света для всех наблюдателей (установленное в опыте Майкельсона и Морли) и правильно описывала, что происходит при движении со скоростями, близкими к скорости света. Однако новая теория противоречила ньютоновской теории гравитации, согласно которой объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними. Последнее означает, что, если сдвинуть один из объектов, сила, действующая на другой, изменится мгновенно. Иначе говоря, скорость распространения гравитационных эффектов должна быть бесконечной, а не равной (или меньшей) скорости света, как того требовала теория относительности. С 1908 по 1914 г. Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить такую модель гравитации, которая согласовалась бы со специальной теорией относительности. Наконец в 1915 г. он опубликовал теорию, которая сейчас называется общей теорией относительности.

Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство‑время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая – это самый короткий (или самый длинный) путь между двумя соседними точками. Например, поверхность Земли есть искривленное двумерное пространство. Геодезическая на Земле называется большим кругом и является самым коротким путем между двумя точками (рис. 2.8). Поскольку самый короткий путь между двумя аэропортами – по геодезической, диспетчеры всегда задают пилотам именно такой маршрут. Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве‑времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям. (Понаблюдайте за самолетом над холмистой местностью. Сам он летит по прямой в трехмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двумерной поверхности Земли).

Масса Солнца так искривляет пространство‑время, что, хотя Земля движется по прямой в четырехмерном пространстве, мы видим, что в нашем трехмерном пространстве она движется по круговой орбите. Орбиты планет, предсказываемые общей теорией относительности, почти совпадают с предсказаниями ньютоновской теории тяготения. Однако в случае Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное действие гравитации и имеет довольно вытянутую орбиту, общая теория относительности предсказывает, что большая ось эллипса должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на один градус в десять тысяч лет. Несмотря на его малость, этот эффект был замечен еще до 1915 г. и рассматривался как одно из подтверждений теории Эйнштейна. В последние годы радиолокационным методом были измерены еще меньшие отклонения орбит других планет от предсказаний Ньютона, и они согласуются с предсказаниями общей теории относительности.

Лучи света тоже должны следовать геодезическим в пространстве‑времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно. Таким образом, согласно обшей теории относительности, луч света должен изгибаться в гравитационных полях, и, например, световые конусы точек, находящихся вблизи Солнца, должны быть немного деформированы под действием массы Солнца. Это значит, что луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклониться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду в другой точке (рис. 2.9). Конечно, если бы свет от данной звезды всегда проходил рядом с Солнцем, мы не могли бы сказать, отклоняется ли луч света или же звезда действительно находится там, где мы ее видим. Но вследствие обращения Земли все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В результате их видимое положение относительно остальных звезд меняется.

В нормальных условиях этот эффект очень труден для наблюдения, так как яркий солнечный свет не позволяет видеть звезды, находящиеся на небе рядом с Солнцем. Но такая возможность появляется во время солнечного затмения, когда Луна перекрывает солнечный свет. В 1915 г. никто не смог сразу проверить предсказанное Эйнштейном отклонение света, потому что шла Первая мировая война. Лишь в 1919 г. английская экспедиция в Западной Африке, наблюдавшая там солнечное затмение, показала, что свет действительно отклоняется Солнцем так, как и предсказывала теория. То, что английские ученые доказали правильность теории, родиной которой была Германия, приветствовалось как еще один великий акт примирения обеих стран после войны. Но, хотя это выглядит иронично, проведенный позднее анализ фотографий, полученных этой экспедицией, показал ошибки измерения того же порядка, что и измеряемый эффект. Результат англичан был либо чистым везением, либо тем нередким в науке случаем, когда получают то, что хотелось получить. Правда, отклонение света Солнцем было впоследствии точно подтверждено целым рядом наблюдений.

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это следует из того, что должно выполняться определенное соотношение между энергией света и его частотой (т. е. числом световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию, а потому его частота уменьшается. (Это означает, что увеличивается интервал времени между гребнями двух соседних волн). Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее. Это предсказание было проверено в 1962 г. с помощью двух очень точных часов, расположенных: одни на самом верху водонапорной башни, а вторые – у ее подножья.

Оказалось, что нижние часы, которые были ближе к Земле, в точном соответствии с общей теорией относительности шли медленнее. Разница в ходе часов на разной высоте над поверхностью Земли приобрела сейчас огромное практическое значение в связи с появлением очень точных навигационных систем, работающих на сигналах со спутников. Если не принимать во внимание предсказаний общей теории относительности, то координаты будут рассчитаны с ошибкой в несколько километров!

Законы движения Ньютона покончили с абсолютным положением в пространстве. Теория относительности освободила нас от абсолютного времени. Возьмем пару близнецов. Предположим, что один из них отправился жить на вершину горы, а другой остался на уровне моря. Тогда первый состарится быстрее, чем второй, и поэтому при встрече один из них будет выглядеть старше другого. Правда, разница в возрасте была бы совсем мала, но она сильно увеличилась бы, если бы один из близнецов отправился в долгое путешествие на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света. По возвращении он оказался бы значительно моложе своего брата, который оставался на Земле. Это так называемый парадокс близнецов, но он парадокс лишь для того, кто в глубине души верит в абсолютное время. В общей теории относительности нет единого абсолютного времени; каждый индивидуум имеет свой собственный масштаб времени, зависящий от того, где этот индивидуум находится и как он движется.

До 1915 г. пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее на ней никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны. В общей же теории относительности ситуация совершенно иная. Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства‑времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.

Поскольку математики реально не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности (на которой основаны решения Фридмана), во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точка в математике называется особой (сингулярной). Все наши научные теории основаны на предположении, что пространство‑время гладкое и почти плоское, а потому все эти теории неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства‑времени бесконечна. Следовательно, даже если бы перед большим взрывом происходили какие‑нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, так как в точке большого взрыва возможности предсказания свелись бы к нулю. Точно так же, зная только то, что произошло после большого взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило до него. События, которые произошли до большого взрыва, не могут иметь никаких последствий, касающихся нас, и поэтому не должны фигурировать в научной модели Вселенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва.