Единство и многообразие свойств пространства и времени

Пространство и время

Мегамир

Объектами мегамира являются тела космического масштаба – кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные пстемы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желтые карлики, красные гиганты), звездные системы, черные дыры, квази-звезды (квазары), Галактика (Млечный Путь), Метагалактика, системы галактик.

Огромные расстояния между космическими объектами вызывают необходимость ввода новых величин для измерения расстояний.

1.Астрономическая единица – среднее расстояние от Земли до солнца: 1 а.е. = 1,5 • 10 ^{11 м} = 1,5 10⁸ км.

2.Световой год – расстояние, которое проходит свет за один год: 1 световой год = 9,46 • 10¹⁵ м = 9,46 • 10¹² км.

3.Парсек – расстояние, которое в 3,26 раз больше светового года: 1 парсек = 3,1 • 10¹⁶ м = 3,1 • 10¹³ км.

Мегамир (космос) – взаимодействующая и развивающаяся система, а также одна из форм системной организации во Вселенной.

Пространство и время – категории, обозначающие основные фундаментальные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время – порядок смены явлений и состояний материи. Они играют главную роль на эмпирическом уровне физического познания – непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит фиксации пространственно-временных совпадений.

Пространство и время служат также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные. Пространство и время имеют решающее значение для построения физической картины мира.

Все тела имеют определенную протяженность – длину, ширину, высоту. Они различным образом расположены друг относительно друга, составляют части той или иной системы.

Пространство есть форма координации существующих объектов, состояний материи. Порядок сосуществования этих объектов и их состояний образуют структуру пространства.

Явления характеризуются длительностью существования, последовательностью этапов развития. Процессы совершаются либо одновременно, либо один раньше или позже другого. Все это означает, что тела существуют и движутся (изменяются) во времени.

Время – это форма координации сменяющихся объектов и их состояний. Порядок смены этих объектов и состояний образуют структуру времени.

Пространство и время – всеобщие формы существования, координации объектов. Всеобщность данных форм бытия заключается в том, что они есть формы бытия всех предметов и процессов, которые были, есть и будут в мире. В мире все простирается и длится.

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при позна­нии пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. Из всеобщих свойств пространства ивремени следует отметить их:

1. Объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире.

2. 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.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы.

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.

2. Связность и непрерывность – проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях.

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). 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 состояний, 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 типа 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 прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерыв­ном переходе предшествующих состояний 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 необратимость, означающая 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. 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. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей.

На отдаленное будущее также нельзя воздействовать, пока оно не возникнет, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Понятие настоящего многозначно (как и понятие современности), ибо охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее – это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть расширено, в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события, до часа, дня, года и большего отрезка времени, как и понятие современности.

Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной – настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки, но для Галактики они возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах они будут еще более значительными. Внутри этого настоящего для больших систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время, например, жизни конкретных поколений людей. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него – к будущему, но никогда наоборот.

Какие причины лежат в основе асимметрии и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, законами неравновесной термодинамики. Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире и причинных отношений, что привело бы к нарушению закона причинности.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего во все большей мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире: распады неустойчивых частиц (нейтронов, мезонов) с излучением нейтрино.

4. Одномерность времени проявляется 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. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности.

Рассмотрим теперь специфические и локальные пространственно-временные свойства систем. К пространственным свойствам относятся:

1. Конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии (речь о них пойдет ниже) свойственны как макромиру, так и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

3. Изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидовому пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

В биологических системах есть специфические пространственно-временные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутри организменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Так же и в обществе есть специфические пространственные отношения между его элементами, собственные ритмы и темпы изменения в различных сферах общественной жизни, проявляется ускорение темпов развития с прогрессом науки и техники.

Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше всеобщие свойства пространства и времени и большинство их общих свойств.

Пространство-время в макро- и мегамире. В локальных областях макромира, когда можно абстрагироваться от искривления пространства-времени вблизи больших тяготеющих масс, пространство-время характеризуется евклидовой геометрией. В масштабах Галактик и Метагалактики существенную роль начинает играть кривизна пространства-времени, связанная с взаимодействием тяготеющих масс, характер кривизны пространства зависит от средней плотности вещества и поля. При плотности больше критической (10 ^-29 г/см³) пространство будет замкнуто, а время имеет точки, в которых Метагалактика может сжиматься до сверхплотного состояния. В такой математической точке, как плотность вещества, так и кривизна пространства должны стать бесконечными (большими). В современной общей теории относительности эта точка называется сингулярностью. Сингулярность – это не объект, а то место, где заканчивается действие известных нам физических законов. Наличие нескольких таких временных точек означает, что Метагалактика пульсирует, переходя от стадии расширения к стадии сжатия.

При плотности, меньшей критической, кривизна пространства соответствует незамкнутой Вселенной, имеющей особую временную точку, в которой происходит Большой Взрыв и далее начинается стадия неограниченного расширения. По современным научным данным, более характерен второй сценарий эволюции Метагалактики – сценарий Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной,

Биологическое пространство-время. Оно как бы вписано в пространство-время неживой природы. Левая и правая асимметрия в группировках атомов. Отсутствие тождественности левого и правого, резкое проявление левизны организации живого – свидетельство особенностей биологического пространства. Биологическое пространство – сложная композиция различных, неевклидовых пространств организмов и локальных евклидовых пространств неорганических объектов. Биологические часы. Внутреннее время организма: в ритмах биологических часов внешнее время как бы сжимается, затем происходит активный перенос на будущее этих спрессованных ритмов, протекшего внешнего времени. Биологический организм обгоняет время.

Социальное пространство-время. Функциональное расчленение на ряд подпространств, характер которых и взаимосвязь исторически меняются по мере развития общества. Пространство непосредственного обитания. Пространство – зона плодо­носных земель. Очеловеченное и не очеловеченное пространство. Природа социального пространства включает: предметный мир, который человек создает и обновляет в своей деятельности, самого человека и его отношение с другими людьми, состояние человеческого сознания, регулирующие его деятельность. Это единое системное целое существует при взаимодействии составляющих его частей – мира вещей «второй природы», мира идей и мира человеческих отношений. Социальное пространство имеет особую пространственную архитектонику, которая не сводится только к отношениям материальных вещей, а включает их отношение к человеку, его социальные связи и те смыслы, которые фиксируются в системе общественно значимых идей.

Специфика социального пространства тесно связана со спецификой социального времени, которая является внутренним и вписана во время природных процессов. Социальное время на ранних стадиях общественного развития замедлено. Социально-историческое время проходит неравномерно. Оно уплотняется и ускоряется в ходе общественного развития. Развитие человеческого общества намного ускоряет все эволюци­онные процессы, происходящие на Земле.

Поле и вещество, и их взаимосвязь. Под веществом понимают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы, т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших свойств проявления единства прерывности и непрерывности в природе.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования.

Характеризуя единство прерывного и непрерывного в природе, следует упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, микрообъекты при взаимодействиях и движении могут проявлять волновые свойства, способность к дифракции и интерференции, они характеризуются длиной волны, обратно пропорциональной их массе и скорости. Это соотношение выражает корпускулярно-волновой дуализм Луи де-Бройля, причем постоянная h Планка имеет смысл минимального действия в природе, соизмеримость взаимодействия с этой универсальной постоянной указывает на учет квантовых эффектов и дискретности природы.

Согласно идее Планка, универсальной количественной харак­теристикой минимального квантового воздействия на объекты, находящиеся в микросостояниях, в природе служит постоянная h = 1,054* 10 ^-34 Дж с, названная постоянной Планка или, иначе, элементарным квантом действия. Любое воздействие, происходящее в природе, можно охарактеризовать целым числом квантов действия N h, так что постоянная Планка играет роль неделимой более «порции» или «атома» воздействия. Поскольку она очень мала, атомизм воздействия, как и всякий другой атомизм, в макроскопических опытах себя не проявляет, что согласуется с наблюдаемой непрерыв­ностью воздействия в классической физике.

К настоящему времени идея Планка обоснована бесчисленными опытами с самыми различными объектами в микросостояниях, из которых следует одно и то же значение h. Они подтвердили универсальный характер постоянной Планка, характеризующей не какое-то конкретное микросостояние объекта или конкретное воздействие (включая наблюдение), а фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на минимально возможную величину квантового воздействия. В этом смысле постоянная Планка h – столь же фундаментальная физическая величина, что и скорость света в вакууме с, значение которой также характеризует не просто скорость какого-то конкретного физического процесса, а фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на максимально допустимую скорость любого материального объекта.

Универсальный характер постоянной Планка проявляется и в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристи­ки, которыми обмениваются два взаимодействующих объекта (из которых один обязательно микроскопичен). Действительно, размерность элементарного кванта действия

[h] = [энергия х время] = [импульс х расстояние] = [момент].

Поскольку время и расстояние в микромире остаются непрерывными, отсюда непосредственно следует представление о дискретности, квантованности энергии, импульса и момента.

Таким образом, вытекающий из реального существования атомов и электронов принцип атомизма вещества (все элементы состоят из дискретных одинаковых атомов определенной массы) удалось ввести в физику лишь после того, как открытый ранее атомизм вещества и электричества был дополнен идеей Планка об атомизме воздействия и его физических характеристик. Дальнейшая разработка этой идеи и применение ее к объяснению все новых и новых экспериментов в микромире привели в конце 20-х годов XX в. к созданию квантовой физики. Ее законы последовательно описывают природу в условиях, когда значение постоянной Планка существен­но, и воспроизводят результаты классической физики в тех случаях, когда постоянной Планка в сравнении с другими величинами той же размерности можно пренебречь.

Однако значение открытия Планка, его квантовой гипотезы, не сводится только к построению еще одной фундаментальной физической теории. Как будет продемонстрировано ниже, речь идет о принципиальном изменении взгляда на природу и методов познания ее че­ловеком. Величайшее достижение квантовой физики состоит в том,что она позволила последовательно развить качественно новый, неклассический взгляд на природу, органично сочетающий описание самой физической системы и ее окружения, включая условия наблюдения за системой. В рамках такой концепции нашло себе место и адекватное описание тепловых явлений, первоначально развитое в статистической физике Гиббсом. Таким образом, появление идеи Планка по своей значимости можно сравнить лишь с появлением учения Коперника, положившего начало развитию классического естествознания. В свою очередь, Планк открыл эпоху неклассического естествознания, приведшего к формированию современной физической картины мира.

Конечно, осознание значения открытия Планка как скачка в духовном развитии всего человечества может прийти только после глубокого самостоятельного обдумывания идей неклассической физики. Однако направление, в котором необходимо изменить описание природы в рамках неклассической физики, можно указать уже сейчас. Оно связано с решением проблемы сочетания целостности и сложности в микромире.

Дело в том, что открытие Планка, с одной стороны, создало основу для объяснения существования в природе атомизма, а с другой стороны, показало всю ограниченность, всю «классичность» самого принципа атомизма. Как известно, классическая физика знает только одну форму описания сложной системы – это составная система, т. е. система, состоящая из элементарных объектов. Любая фундаментальная физическая характеристика такой системы «состоит» из нескольких «порций» той же характеристики, присущей составляющим систему более элементарным объектам. Например, заряд системы из трех электронов равен утроенному заряду электрона. Покапредел делимости материи и ее характеристик на отдельные «порции» не был фиксирован, такой подход к описанию сложности за счет отказа от целостности системы был оправдан.

Ситуация коренным образом изменилась с установлением фундаментальной роли в природе постоянной Планка h. Можно утверждать, что фундаментальные физические характеристики обладают определенной целостностью и дальнейшему дроблению не подлежат. В этом смысле классический принцип атомизма себя полностью исчерпал. В то же время, как следует из опыта, микрообъекты отнюдь не являются элементарными бесструктурными образованиями. Они обладают разнообразными свойствами, и более того, существует определенная иерархия микрообъектов: молекулы, атомы, ядра, нуклоны, элементарные частицы. Таким образом, неделимость кванта действия приводит с неизбежностью к требованию целостности микросистем, чуждому классической физике.

Дата добавления: 2014-12-29