Пространство и время в современном естествознании

Может ли в таком случае нарушиться принцип причинности, т.е. последовательность событий, определяющих, какое из двух явлений будет причиной, а какое - следствием? Например, возможен ли случай, в котором сначала пуля попадет в медведя, а потом выстрелит охотник? Нет, такого не произойдет. Пусть наблюдатель стоит ближе к животному и дальше от его убийцы. Сигнал от медведя дойдет быстрее, чем сигнал от охотника. Но все же сначала мы увидим вспышку от выстрела, потом будет задержка (время пролета пули из ружья во всеядное), потом упадет медведь. В связанных между собой событиях причинность не нарушается. Два таких события не относительны по отношению друг к другу или к наблюдателю. Относительность последовательности происходящих событий будет возникать только в случае независимых событий, таких, которые никаким образом не связаны друг с другом.

5. Пространство-время - четырехмерный  континуум

Постулаты специальной теории относительности (СТО) разрушили представления классической физики. Созданная Ньютоном механика рассматривала пространство и время как две независимые абсолютные величины, в которых разыгрываются физические процессы. Постулаты СТО вынуждают связать воедино пространство и время. Именно такая взаимосвязь позволяет получить математическое описание перехода между разными движущимися системами координат. Так как в теории относительности рассматриваются явления, протекающие с околосветовыми скоростями, то связь пространства и времени становится заметной исключительно при этих скоростях.

В школьном курсе физики использовались преобразования Галилея, приводящие к сложению скоростей, в СТО такие преобразования несколько сложнее. Они называются преобразованиями Лоренца, по имени ученого, предложившего их. При скоростях много меньше световых преобразования Лоренца могут быть заменены преобразованиями Галилея (напомним, что это проявление принципа соответствия Бора).

Выше была рассмотрена относительность одновременности событий. Привычные для нас представления о расстояниях и временных промежутках также являются относительными относительно движущихся систем координат. Да простят меня читатели за «двойную» относительность. Дело в том, что в широких слоях слово «относительность» стало ординарным. «Все в мире относительно», - слышали, наверное? Так вот, относительность может быть только относительно чего-то, а не сама по себе. Выражение: «Я получаю зарплату больше» - бессмысленно, если не связать его с суммой или человеком.

Привычная «экономия слов» порождает путаницу в умах людей, далеких от физики. Если покоящийся наблюдатель станет измерять размеры тела, двигающегося с околосветовой скоростью, то в направлении движения тело получится короче первоначального размера. Данный результат вытекает из математических формул преобразований Лоренца. Дело в том, что измерение будет проводиться с помощью света. Но свет распространяется с постоянной скоростью независимо от движущихся или покоящихся систем координат (наблюдателей). Если процессы не будут замедляться, а размеры уменьшаться, то скорость света для неподвижного наблюдателя будет складываться со скоростью движущейся системы и в целом превзойдет скорость света. Таким образом, будет нарушен второй постулат СТО. Для его сохранения необходимо, чтобы для неподвижного наблюдателя процессы, происходящие в движущейся системе, происходили медленнее, а сам движущийся объект сокращался в направлении движения. Но наблюдатель, расположенный в самой движущейся системе, никакого сокращения или замедления не обнаружит. (Относительно неподвижного наблюдателя сокращение и замедление будут происходить, а относительно наблюдателя в этой движущейся системе все останется неизменным.) В противном случае будет нарушен первый постулат Эйнштейна, в соответствии с которым все процессы должны протекать одинаково. Таким образом, время и пространство оказываются взаимосвязанными. Привычное для нас трехмерное пространство и самостоятельное время составляют единый континуум. От такой математической операции ничего с миром не случилось (как часто предполагают гуманитарии). Физики поняли: мир - более сложное и загадочное явление, чем это может вообразить фантазия, а привычные научные теории не вечные истины.

6. Общая теория относительности  А. Эйнштейна (теория тяготения)

Сила тяжести - первая сила, введенная в физику; ее «отец» - И. Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения. Теперь ее рассматривают как одно из фундаментальных взаимодействий в природе. Несмотря на то что тяготение стало частью физики еще в XVII в., оно до сих пор загадочное проявление свойств природы.

Ответить на вопрос «Что такое тяготение?» можно двумя способами. Первый: открыть частичку-переносчик тяготения, подобно фотону - переносчику электромагнитного поля. Но физики и сегодня не могут обнаружить эту частичку - гравитон. Второй: отказаться от силы тяготения по принципу «нет силы - нет частички». Именно этот путь выбрал А. Эйнштейн.

Пользуясь скоростными лифтами, человек испытывает тяжесть в ногах при подъеме и дурноту при спуске. Если лифт будет падать вместе с человеком (внимание: этот эксперимент несовместим с жизнью!), то человек окажется в состоянии невесомости и может представить себя настоящим космонавтом (короткое время!). Иное дело при подъеме - тело становится тяжелее. Из этих наблюдений можно предположить, что сила тяжести может быть заменена ускорением, а раз так, то в действительности нет никакого тяготения.

Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, утверждающий, что физические процессы в гравитационном поле неотличимы от аналогичных явлений при соответствующем ускоренном движении. Принцип эквивалентности стал основой новой теории, названной общей теорией относительности (ОТО). Представим себе НЛО, который прямолинейно движется с ускорением -9,8 м/. Будучи в состоянии проводить эксперименты, вы не сможете с их помощью определить, остались вы на Земле или похищены инопланетянами. Можно только посмотреть в окно или иллюминатор; если же вы лишены такой возможности, остается надеяться только на удачу.

Несмотря на достигнутые успехи, Эйнштейну не удалось полностью заменить явление тяготения прямолинейным равноускоренным движением. Поле тяготения Земли направлено по радиусам шара к центру. С помощью движения можно создать тяготение либо на плоскости, либо на внутренней поверхности вращающегося обода, но не на внешней поверхности сферы. Для объяснения этого исключения Эйнштейн предположил искривленность окружающего нас пространства и времени под воздействием массы. В «кривом», неевклидовом пространстве сумма углов треугольника не равна 180, в этом легко убедиться, посмотрев на любой глобус. - треугольник, образованный экватором и двумя меридианами, подтвердит все вышесказанное. Движение в таком пространстве по кратчайшему расстоянию будет движением по окружности. Посмотрев на глобус, легко убедиться в справедливости Эйнштейна. Затруднение может вызвать то, что глобус - это сфера в трехмерном пространстве, а в ОТО используется пространственно-временной континуум. Представить искривленное четырехмерное пространство сложно, но напомним, что этого от нас никто и не требует, достаточно предложить математические операции, связывающие пространство и время однозначным образом. Используя математику, можно рассчитывать, а не представлять.

Если пространство неевклидово, то и свет должен распространяться не прямолинейно. Это следствие ОТО можно проверить экспериментально. Еще в 1919 г., во время полного Солнечного затмения, английской экспедиции удалось увидеть свет звезды, которая, будь пространство евклидовым, заслонялась бы Солнечным диском. На самом деле, проходя рядом с Солнцем, свет попадает в область пространства-времени с большой кривизной и в соответствии с ОТО двигается не по прямой линии. Наблюдая это явление, астрономы подтвердили справедливость ОТО. Поведение света в гравитационном поле Солнца, изменение времени на Меркурии и как следствие - некоторые особенности движения подтвердили теорию Эйнштейна. Теперь необходимо знать, что вещество своей массой искривляет пространство-время, а пространство-время подсказывает телу траекторию движения.

Пространство и время оказались не только взаимосвязанными, как предсказывает СТО, но еще и неевклидовыми в соответствии с ОТО.

7 Свойства пространства и времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. В учебных целях свойства пространства и времени также рассматриваются отдельно.

Общие свойства пространства.

Общими свойствами пространства являются:

1) протяженность, понимая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторогоследующего элемента либо возможность уменьшения числаэлементов. Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы;

2) трехмерность, в соответствии с которой все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, т.е. обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, которое обнаруживается на всех известных структурных уровнях организации материи и органически связано со структурностью систем и их движением.

Общие свойства времени.

 Общими  свойствами времени являются:

1) длительность, которая выступает как последовательность  сменяющих друг друга моментов  или состояний, возникновение за  каждым данным интервалом времени  последующего. Длительность предполагает  возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения в прошлом. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, т.е.

существуют конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход;

2) необратимость  времени — общее свойство времени, означающее однонаправленное изменение  от прошлого 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. На стоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой.

Понятие настоящего, так же как и понятие современности, многозначно, так как охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее — это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом; для элементарных частиц — очень малые отрезки, которые для Галактики возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах будут еще более значительными;

3) одномерность  времени, проявляющаяся в линейной  последовательности событий, генетически  связанных между собой. Если для  определения положения тела в  пространстве необходимо задать  три координаты, то для определения  времени достаточно одной.

 Общие  свойства пространства и времени  проявляются на всех структурных  уровнях организации материи. У  некоторых классов материальных  объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени. Так, в макромире все материальные тела имеют конкретные пространственные формы, размеры, скорости перемещения и т.д.

Все материальные тела и процессы имеют конкретную длительность своего существования. Также у материальных тел проявляются разные виды симметрии или асимметрии. В целом пространству присущи свойства изотропности и однородности. Изотропность — это отсутствие направлений (верх, низ и т.д.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения.

Однородность — это одинаковость свойств пространства по всем направлениям. Но в структуре отдельных тел можно отметить анизотропию (тела расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других) и неоднородность.

Заключение

Пространство и время – фундаментальные категории современного естествознания. Физические, биологические, географические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с пространственно-временными характеристиками объектов. Ученые давно ведут дискуссии о сущности пространства и времени, об их основных свойствах. Проблемы пространства и времени во многом решаются в рамках господствующей в конкретную эпоху парадигмы. Картинам мира разных исторических эпох с присущими им культурами соответствовали свои пространственно-временные представления. Более того, выбор самих моделей пространства и времени зависит от конкретных целей и масштабов, в которых существует изучаемое явление или объект.

В рамках общей теории относительности Эйнштейна считается, что структура пространства-времени определяется распределением масс материи. В классической механике принимается, что если бы вдруг все материальные вещи исчезли, то пространство и время остались бы. Согласно теории относительности, пространство и время исчезли бы вместе с этими вещами. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.

В литературе не раз высказывалась точка зрения, что после развития теории относительности пространство и время уже нельзя рассматривать как разные атрибуты материи, что их нужно объединить в понятии четырехмерного континуума и рассматривать как одну форму бытия материи – пространство-время. Безусловно, связь между ними неразрывна и реализуется в движении материи. Всякое изменение пространственных свойств будет изменением во времени, и наоборот. Но все же пространство и время, наряду с всеобщими характеристиками, имеют такие общие и специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени. Это и дает возможность рассматривать их как разные атрибуты материи.

Достаточно давно в науке обсуждается возможность существования не только трехмерного, но и многомерного пространства. Физики и математики иногда используют понятие n-мерного пространства. В частности, этого требуют теории Великого объединения и Суперобъединения. Но все же эти измерения – не более чем абстракция. Даже существование четвертого измерения невозможно представить реально. Чтобы пояснить это, проведем аналогию. Представим себе существование двухмерного мира – Плоской страны, которая для нас выглядит, как детский рисунок. Если мы, трехмерные существа, попадем в этот мир, его обитатели не смогут увидеть нас полностью, они заметят лишь срезы тех частей нашего тела, которые будут проходить через плоскость этого мира. Поэтому, даже если и существует мир четырех измерений, а его обитатели посещают наш мир, мы замечаем лишь проекции их тел – странные объекты, не поддающиеся описанию известными нам физическими законами. Поэтому, единственное четвертое измерение, доступное нам, – это время, неразрывно связанное с пространством в едином четырехмерном пространственно-временном континууме

Пространственно-временные отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, поскольку эти отношения определяются структурой и внутренними взаимодействиями материального объекта. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, время жизни, ритмы процессов, типы симметрии - это характеристики, зависящие от условий, в которых он существует. Особенно сложны пространственно-временные отношения в таких сложных развивающихся объектах как организм или общество. Так возникают понятия биологического или социального времени. 
Список использованных источников