Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи

Описанные эффекты  проявляются лишь при скоростях, сравнимых со скоростью света  и в настоящее время экспериментально зарегистрированы в пучках ультарелятивискских частиц, создаваемых на современных ускорителях. Например, короткоживущие частицы (время жизни 0), двигаясь с околосветовыми скоростями, вопреки классическим представлениям достигают приемника, удаленного на расстояние, значительно превышающее l = c(0). С точки зрения неподвижного наблюдателя это явление можно объяснить эффектом замедления времени, «удлиняющим» жизнь частицы, с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с частицей - эффектом сокращения расстояния до мишени, «летящей ему навстречу». Подобные процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Указанные явления есть важнейшая экспериментальная база.

В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и  время в единый четырехмерный  пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света а вакууме (300000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

Находясь в  сопутствующей системе отсчета, то есть двигаясь параллельно и на одинаковом расстоянии от измеряемой системы, нельзя заметить эти эффекты, которые называются релятивистскими, так как все используемые при измерениях пространственные масштабы и часы будут меняться точно таким же образом. Согласно принципу относительности, все процессы в инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Но если система является неинерциальной, то релятивистские эффекты можно заметить и измерить.

Эксперимент, лежащий  в основе специальной теории относительности: со спутника испускается луч света  по направлению его движения. Относительно спутника, откуда он испущен, свет распространяется со, скоростью света. Какова скорость распространения света относительно Земли? Она остаётся такой же. Даже если свет будет испускаться не по движению спутника, а в прямо противоположном направлении, то и тогда относительно Земли скорость света не изменится. Это - иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, не нужно указывать систему отсчета. 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 меркам - 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 расстоянии не будет Солнца. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с.

3. УЛЬТРАСОВРЕМЕННЫЕ  ВЗГЛЯДЫ НА ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ

В настоящее  время в научном мире общепринята  теория самоорганизации пространства-времени, т.н. теория «суперструн». Рассмотрим вкратце  процесс самоорганизации пространства-времени  в связи с самоорганизацией Вселенной, ведущей к эволюции физических объектов. Изначально существовал неметрический вакуум. Большой взрыв привел к эволюции вакуума, достигшего, в конце концов, метрической определенности, характеризующейся суперструнным вакуумным пространством-временем, затем возникло 10-мерное квантованное суперструнное поле и соответствующее ему суперструнное пространство-время. С акта самоорганизации суперструнного поля до развертывания его четырех измерений имело место суперструнное пространство-время. При последующем расширении Вселенной 4 измерения увеличились, 6 измерений пространства остались компактифицированными. С возникновением частиц и образованием гравитационного поля процесс самоорганизации привел к классическому гравитационному пространству-времени. Последнее приобрело фундаментальное значение, ибо все эволюционирующие процессы внутри Вселенной можно рассматривать как происходящие на его фоне. Кривизна гравитационного пространства-времени уменьшалась с увеличением радиуса Вселенной, при некотором радиусе (в малых областях) пространство-время можно считать плоским.

Однако, согласно эйнштейновской теории тяготения - общей  теории относительности (ОТО), четырехмерное  пространство-время, в котором мы живем всё-таки искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и - чем она плотнее, тем сильнее искривление. Многочисленные альтернативные теории тяготения, счет которым идет на сотни, отличаясь от ОТО в деталях, сохраняют главное - идею кривизны пространства-времени.

Мысли о столь  сильном искривлении нашего пространства-времени  возникли сразу после появления  ОТО - уже в 1916 г., австрийский физик  Л. Фламм обсуждал возможность существования  пространственной геометрии в виде некой норы, соединяющей два мира.

В 1935 г. А. Эйнштейн и математик Н. Розен обратили внимание на то, что простейшие решения  уравнений ОТО, описывающие изолированные, нейтральные или электрически заряженные источники гравитационного поля, имеют пространственную структуру «моста», почти гладким образом соединяющего две вселенные - два одинаковых, почти плоских, пространства-времени.

Такого рода пространственные структуры позднее  получили название «кротовые норы». Черные дыры и кротовые норы, весьма интересные микрообъекты, возникающие сами собой, как квантовые флуктуации гравитационного поля (на длинах порядка 10^-33 см), где, по существующим оценкам, понятие классического, гладкого пространства-времени уже неприменимо. На таких масштабах должно существовать что-то похожее на водяную или мыльную пену в бурном потоке, постоянно «дышащую» за счет образования и схлопывания мелких пузырьков. Вместо спокойного пустого пространства мы имеем возникающие и исчезающие в бешеном темпе мини-черные дыры и кротовые норы самых причудливых и переплетающихся конфигураций. Их размеры невообразимо малы - они во столько же раз меньше атомного ядра, во сколько это ядро меньше планеты Земля. Строгого описания пространственно-временной пены пока нет, так как еще не создана последовательная квантовая теория гравитации, но в общих чертах описанная картина следует из основных принципов физической теории и вряд ли изменится.

Эйнштейн и  Розен рассматривали возможность  применения таких «мостов» для описания элементарных частиц. Приводилось следующее доказательство: частица - чисто пространственное образование, поэтому нет необходимости специально моделировать источник массы или заряда, а при микроскопических размерах кротовой норы внешний, удаленный наблюдатель, находящийся в одном из пространств, видит лишь точечный источник с определенными массой и зарядом. Электрические силовые линии входят в нору с одной стороны и выходят с другой, нигде не начинаясь и не заканчиваясь. По выражению американского физика Дж. Уилера, получается «масса без массы, заряд без заряда». В этом случае вовсе не обязательно полагать, что мост соединяет две разные вселенные - ничуть не хуже предположение, что оба «устья» кротовой норы выходят в одну и ту же вселенную, но в разных ее точках и в разные времена.

При всей привлекательности  такой картины она (по многим причинам) не прижилась в физике элементарных частиц. «Мостам» Эйнштейна-Розена трудно приписать квантовые свойства, а  без них в микромире трудно вести рассчёты. При известных  значениях масс и зарядов частиц (электронов или протонов) мост Эйнштейна-Розена вообще не образуется, вместо этого «электрическое» решение предсказывает так называемую «голую» сингулярность - точку, в которой кривизна пространства и электрическое поле становятся бесконечными. Понятие пространства-времени, пусть даже искривленного, в таких точках теряет смысл, поскольку решать уравнения с бесконечными слагаемыми невозможно. По современным понятиям, то, что Эйнштейн и Розен рассматривали как горловину кротовой норы (то есть самое узкое место «моста»), на самом деле есть не что иное, как горизонт событий черной дыры (нейтральной или заряженной). Более того, с разных сторон «моста» частицы или лучи попадают на разные «участки» горизонта, а между, условно говоря, правой и левой частями горизонта находится особая нестатическая область, не преодолев которую нельзя пройти нору.

Для удаленного наблюдателя космический корабль, приближающийся к горизонту достаточно крупной (по сравнению с кораблем) черной дыры, как бы навеки застывает, а сигналы от него доходят все реже и реже. Напротив, по корабельным часам горизонт достигается за конечное время. Миновав горизонт, корабль (частица или луч света) вскоре неотвратимо упирается в сингyлярность - туда, где кривизна становится бесконечной и где (еще на подходе) любое протяженное тело будет неизбежно раздавлено и разорвано. Такова суровая реальность внутреннего устройства черной дыры. Решения Шварцшильда и Райснера-Нордстрема, описывающие сферически-симметричные нейтральные и электрически заряженные черные дыры, были получены в 1916-1917 г., однако в непростой геометрии этих пространств физики полностью разобрались лишь на рубеже 1950-1960-х гг.

Джон Арчибальд  Уилер, известный своими работами в  ядерной физике и теории гравитации, предложил термины «черная дыра» и «кротовая нора». Как оказалось, в пространствах Шварцшильда и Райснера-Нордстрема кротовые норы действительно есть. С точки зрения удаленного наблюдателя, они не видны полностью, как и сами черные дыры, и - так же вечны. А вот для путешественника, отважившегося проникнуть за горизонт, нора настолько быстро схлопывается, что сквозь нее не пролетит ни корабль, ни массивная частица, ни даже луч света. Чтобы, минуя сингулярность, прорваться к другому устью норы, необходимо двигаться быстрее света. А физики сегодня полагают, что сверхсветовые скорости перемещения материи и энергии невозможны в принципе.

Вопросы устойчивости кротовых нор и управления их конфигурацией  пока не совсем ясны, поэтому вполне возможно, что для поддержания  нормального функционирования пространственно-временных тоннелей понадобится специальное оборудование и немалое количество энергии. Всё же сегодня, несмотря на кажущуюся фантастичность идеи о «машине времени» многие учёные всерьёз разрабатывают эту проблему. По мнению учёных разрабатывающих теории кротовых нор, ныряя в кротовую нору, можно не только попасть в другую вселенную, но и вернуться во времени назад.

Если кротовые норы все-таки обнаружат (или построят), перед той областью философии, что  занимается интерпретацией науки, встанут новые и, надо сказать, очень непростые задачи. И при всей кажущейся абсурдности временных петель и сложности проблем, связанных с причинностью, эта область науки, по всей вероятности, рано или поздно со всем этим как-нибудь разберется. Так же, как в свое время «справилась» с концептуальными проблемами квантовой механики и теории относительности Эйнштейна.

Реальные астрономические  наблюдения последних лет, похоже, сильно подрывают позиции противников  возможности самого существования  кротовых нор. Астрофизики, изучая статистику взрывов сверхновых в галактиках, удаленных от нас на миллиарды световых лет, сделали вывод, что наша Вселенная не просто расширяется, а разлетается со все большей скоростью, то есть с ускорением. Более того, со временем это ускорение даже нарастает. О6 этом достаточно уверенно говорят самые последние наблюдения, проведенные на новейших космических телескопах.

Другой вид  кротовых нор - тонкие сингyлярные кольца напоминают другие необычные объекты, предсказываемые современной физикой - космические струны, образовывавшиеся (согласно некоторым теориям) в ранней Вселенной при остывании сверхплотного вещества и смене его состояний. Они действительно напоминают струны, только необычайно тяжелые - многие миллиарды тонн на сантиметр длины при толщине в доли микрона. И, как было показано американцем Ричардом Готтом и французом Жераром Клеманом, из нескольких струн, движущихся друг относительно друга с большими скоростями, можно составить конструкции, содержащие временные петли. То есть, двигаясь определенным образом в гравитационном поле этих струн, можно вернуться в исходную точку раньше, чем из нее вылетел.

Астрономы давно  ищут такого рода космические объекты, и на сегодня один «хороший» кандидат уже имеется - объект CSL-1. Это две удивительно похожие галактики, которые в реальности наверняка являются одной, только раздвоившейся из-за эффекта гравитационного линзирования. Причем в данном случае гравитационная линза - не сферическая, а цилиндрическая, напоминающая длинную тонкую тяжелую нить.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изначально в  доньютоновский период пространство считалось  бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно  рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (т.е. не имело выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них интегральная система.

Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно синхронно» и выступает как независимый от материалистических объектов процесс длительности.

Ньютон в своих  трудах окончательно оформил и сформулировал  концепцию о внешних условиях бытия, в которые помещена материя, концепцию абсолютного пространства и времени, в которой время и пространство уже было абсолютным и относительным, однако по-прежнему, пространство и время представлялись самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от материальных процессов.

Также параллельно  развивались представления о пространстве и времени в зависимость от сознания человека.

По Эйнштейну, учение которого исходило из основ, заложенных Галилеем, пространство и время не просто сосуществуют, но и теснейшим  образом взаимодействуют друг с  другом. Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Долгое время они являлись макроскопическими, так как опирались на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени.

Однако в последнее  время появились практические примеры  доказательства в виде мезонов, возникающих  при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. При построении теорий, описывающих явления микромира, 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, что доказывается опытами с ультрарелятивистскими частицами на современных ускорителях. Но само развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени.