Пространство и время, пространственно-временной континуум

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

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

Пространство считалось бесконечным, плоским, "прямолинейным", 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 синхронно'' и выступает как независимый от материальных 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 кинерциальным 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 длятеории 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.

В общей теории относительности Эйнштейн доказал, что структура пространства—времени определяется распределением масс материи. Обычно выделяют всеобщие и специ­фические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственно-временные ха­рактеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами. Специфические, или локальные, свойства прояв­ляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем.

Из всеобщих свойств пространства и времени можно всего отметить:

1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).

2. Их абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.

3. Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.

4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре наличие отдельных тел. фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.

5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.

К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность, рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу неко­торого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов; обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи. Непротяженные объекты не обладали бы структурой, внутренними связями и способностями к изменениям, из них не могли бы обра­зовываться никакие системы.

2. Связность и непрерывность проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близко действия в передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях. Вместе с тем пространству свойственна относительная прерывность, проявляющаяся в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы, в существовании многообразных структурных уровней материи с различными пространствен­ными отношениями,

3. Трехмерность - общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). В одномерном или двумерном пространстве (линия, плоскость) не могли бы происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

4. Пространству на всех известных структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Метрика может быть различной - евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны. Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Рассмотрим теперь общие свойства времени:

1. Длительность - выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состоянии, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Длитель­ность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний. Аналогично протяженности пространства длительность относится к метрическим свойствам. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например, с состоянием материи тина сингулярности (объект с бесконечной плотностью, гравитационным полем и точечными размерами), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний, что равносильно отрицанию всякого материального бытия.

2. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прорывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе предшествующих состоянии в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения, которые его вызывают. Но время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый из которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

3. Всеобщим свойством времени является необратимое I, означающая однонаправленное изменение от прошлою к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, сосуществовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи уже недоступны никакому воздействию.

4. Одномерность временипроявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой.

31.Корпускулярная и континуальная концепции описа­ния природы. Единство корпускулярных и волновых свойств микрообъектов.

Одним из наиболее важных вопросов как философии, так и естествознания является проблема материи. Представления о строении материи нашли свое выражение в борьбе двух концепций: прерывности (дискретности) материи – корпускулярная концепция, и непрерывности (континуальности) материи – континуальная концепция. С ними тесно связаны проблемы взаимодействия материальных объектов, которые проявляются как концепции близкодействия (передача действия от точки к точке) и дальнодействия (передача действия без физической среды).

Корпускулярная концепция опирается на идеи Демокрита, отождествившего пространство с пустотой и приписавшего пустоте индивидуальное существование. По Демокриту пространство есть то, что существует само по себе, независимо от материи и является "вместилищем" тел. Оно может быть заполнено телами, а может быть абсолютно пустым в виде особого реального объекта. Ньютон в своей механике эту идею развил до четкого представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, которые не зависят друг от друга и не связаны с материей. Ньютон разработал концепцию прерывности. Его подход основывался на признании дальнодействующих сил. В 1672-1676 годах он распространил атомистику на световые явления и создал корпускулярную теорию света. По своему мировоззрению Ньютон был вторым после Декарта великим представителем механистического материализма в естествознании XVII-XVIII веков. Декарт стремился построить общую картину природы, в которой все явления объяснялись как результат движения больших и малых частиц, образованных из единой материи. Недостатки механистической атомистики:

– отсутствие достоверного экспериментального материала;

– атомы рассматривались как частицы, лишенные возможности превращения;

– единственной формой движения принималось механическое движение.

Сложившиеся к началу XIX века представления о строении материи были односторонними и не давали возможности объяснить ряд экспериментальных фактов. Разработанная М. Фарадеем и Дж. Максвеллом в XIX веке теория электромагнитного поля показала, что признанная концепция не может быть единственной для объяснения структуры материи. В своих работах М. Фарадей и Дж. Максвелл показали, что поле – это самостоятельная физическая реальность. Таким образом, в науке произошла определенная переоценка основополагающих принципов, в результате которой обоснованное Ньютоном дальнодействие заменялось близкодействием, а вместо представлений о дискретности выдвигалась идея непрерывности, получившая свое выражение в электромагнитных полях, т.е. развитие получила континуальная концепция.

Двойственность описание природы особенно проявляется при рассмотрении пространственных и временных свойств материи. На эмпирическом уровне познания мира понятие пространства позволяет описывать порядок сосуществования материальных объектов по признакам "слева – справа", "дальше – ближе", "сверху – снизу", "больше по размерам – меньше". Понятие времени выражает порядок смены событий по признаку "раньше – позже". Пространство и время органически связаны с материей, не могут существовать самостоятельно, обособленно от нее. Основы такого взгляда заложил Аристотель и развил Г. В. Лейбниц (1646-1716). Дальнейшее углубление этого представления о пространстве и времени осуществил Эйнштейн в теории относительности.

В современной физике строго доказано, что пространство и время неразрывно связаны между собой, то есть составляют единое четырехмерное пространство-время и наш мир, следовательно, четырехмерен. Это доказательство осуществлено Эйнштейном в рамках специальной теории относительности. В общей теории относительности установлена количественная связь геометрических свойств (метрики) пространства-времени с материей. Вблизи тяготеющих масс пространство-время "искривляется" и уже не является привычным для нас используемым в классической физике (так называемым эвклидовым). Это представление о четырехмерном пространстве-времени эффективно "работает" в масштабах от размеров видимой Вселенной до размеров элементарных частиц.

Итак, по современным представлениям наш реальный мир четырехмерен: три измерения являются пространственными и одно – временным. Строго показано, что если бы наше геометрическое пространство имело больше 3-х измерений, то планеты, движущиеся вблизи Солнца, и электроны, движущиеся вблизи ядер атомов, не могли бы образовывать устойчивые планетарные и атомные системы. Тем не менее, современные теории, правильно отражающие закономерности в глубоком микромире и ранние стадии эволюции Вселенной, вынуждены оперировать многомерными пространствами. Однако "избыточные" измерения, сыграв свою роль при объяснении тех или иных свойств материи или определенных этапов ее эволюции, неизбежно выпадают из игры.

Установлено, что пространство и время обладают тремя фундаментальными свойствами (тремя видами симметрии): время однородно, а пространство однородно и изотропно. Изотропность пространства означает, что в любых направлениях его свойства абсолютно одинаковы, то есть пространство обладает симметрией относительно операции поворота. Однородность пространства (симметрия относительно операции сдвига, перемещения) означает абсолютную одинаковость свойств пространства в различных его точках. Аналогичная симметрия времени относительно "сдвига" (выбора момента начала отсчета времени) отражает одинаковость его свойств в прошлом, настоящем и будущем. Перечисленные свойства пространства и времени физически проявляются в одинаковости законов Природы, в различных направлениях во Вселенной, в различных ее местах и в различные моменты времени.

В соответствии с достижениями квантовой физики основополагающим понятием современного атомизма является понятие элементарной частицы, но им присущи такие свойства, которые не имели ничего общего с атомизмом древности, в частности, дуализм свойств. В 1900 г. М. Планк показал, что энергия излучения или поглощения электромагнитных волн не может иметь произвольные значения, а кратна энергии кванта, т.е. волновой процесс приобретает окраску дискретности. Идея Планка о дискретной природе света получили свое подтверждение в области фотоэффекта. Де Бройль открыл примерно в это же время у частиц волновые свойства (дифракция электрона). Таким образом, частицы неотделимы от создаваемых ими полей, и каждое поле вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их свойства. В этой неразрывной связи частиц и полей можно видеть одно из наиболее важных проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Для характеристики прерывного и непрерывного в структуре материи следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и фотонов. Единство корпускулярных и волновых свойств материальных объектов представляет собой одно из фундаментальных противоречий современной физики и конкретизируется в процессе дальнейшего познания микроявлений. Изучение процессов макромира показали, что прерывность и непрерывность существуют в виде единого взаимосвязанного процесса. При определенных условиях макромира микрообъект может трансформироваться в частицу или поле и проявлять соответствующие им свойства.

Вся обстановка в науке в начале XX века складывалась так, что представления о дискретности и непрерывности материи получили свое четкое выражение в двух видах материи: веществе и поле, различие между которыми явно фиксировалось на уровне явлений микромира. Однако дальнейшее развитие науки показало, что такое противопоставление является весьма условным. Было показано, что материя проявляет как непрерывные, так и корпускулярные свойства. Необходимо добавить, что представление о дискретности пространства-времени в современном естествознании все-таки существует, но оно применяется только в связи с объяснением самых ранних этапов эволюции Вселенной.