Лекция 6. Пространство, время, симметрия

1.Геометризация физики.

2.Пространство, время и их свойства.

3.Симметрия.

4. Антропный принцип.

Геометризация физики. Содержанием общей теории относительности является физическая теория пространства и времени, учитывающая существующую между ними взаимосвязь геометрического характера. В рамках ОТО пространство-время имеет единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами (телами, полями) и есть гравитация. Таким образом, теория гравитации в рамках ОТО и других метрических теорий гравитации есть теория пространства-времени, полагаемого не плоским, а способным динамически менять свою кривизну. Метрика континуума т.о. стала неевклидовой метрикой.

Как известно, плоскость является пространством двумерным, у которого есть своя, присущая только плоскости, геометрия – эвклидова. Эвклид (около 325 – 265 до н.э.) – древнегреческий математик, автор первого из дошедших до нас теоретических трактатов по математике. Согласно его геометрии, например, через точку, лежащую вне прямой, можно провести только одну прямую, параллельную данной. Это утверждение – пятый постулат Эвклида.

По аналогии можно предполагать, что и реальное трехмерное пространство, в котором мы существуем, есть евклидово пространство. Это означает, что все теоремы плоской евклидовой геометрии остаются верными и для пространства трех измерений. Такой вывод на протяжении многих веков не подвергался сомнению. Лишь в прошлом веке независимо друг от друга русский математик Николай И.Лобачевский (1792 – 1856) и немецкий математик Георг Ф.Б.Риман (1826 – 1866) усомнились в общепризнанном мнении. Они доказали, что могут существовать и «иные» геометрии, отличные от евклидовой, но столь же внутренне непротиворечивые, как и она. В них получили развитие идеи пространств с большим количеством измерений.

Еще в 1829 г. Н.Лобачевский в работе «Начала геометрии» доказал, что свойства пространства зависят от свойств движущейся материи, окончательный же ответ на вопрос о свойствах пространства должны дать астрономические наблюдения. Несколько позже, в 1867 г., вышла в свет работа Г.Римана «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», в которой он также высказывал идею зависимости свойств пространства от материальных тел. Физическое пространство может быть искривлено, однако, искривлено ли оно на самом деле, должен решить эксперимент.

Идею искривленного пространства положительной кривизны предложил Риман, отрицательной –Лобачевский. Из школьной программы нам всем известны положения геометрии Евклида. Сравним их с положениями других геометрий.

Положения геометрий	Евклид	Лобачевский	Риман
Количество прямых, параллельных данной, которые можно провести через одну точку		Бесконечное
Сумма углов треугольника	180°	<180°	>180°
Отношение длины окружности к длине радиуса	π	<π	>π
Мера кривизны пространства		<0	>0

Основоположения евклидовой геометрии кажутся интуитивно самоочевидными, в то время как основоположения геометрий Лобачевского и Римана бросают вызов пространственной интуиции. На плоскости такие постулаты и в самом деле неверны. Но ведь могут существовать иные поверхности, где имеют место постулаты Римана или Лобачевского. На это можно возразить следующим. Существует такой раздел геометрии (абстрактная геометрия), термины которой (точки, прямые, плоскости и др.) вообще лишены наглядного содержания.

«Точка» в рамках абстрактной геометрии задается упорядоченной тройкой действительных чисел (пересечением трех координат); «прямая» - двумя линейными уравнениями, «плоскость» - одним линейным уравнением. Таким образом, в рамках абстрактной геометрии математика продолжает работать даже там, где буксует наше воображение. Допущение всякого рода «немыслимых» пространств здесь означает лишь то, что они поддаются столь же непротиворечивому описанию, как и наглядно представимые.

Существует также интерпретация геометрий в рамках такого раздела геометрии, как физическая геометрия. Последняя позволяет создать наглядные модели пространств Лобачевского и Римана. В физической геометрии линии, которые соответствуют прямым – это геодезические линии. У них с прямыми есть то общее свойство, что геодезические, как и прямые линии, являются кратчайшим расстоянием между двумя точками на поверхности.

Моделью пространства Лобачевского является седловидная поверхность, а моделью Римана – поверхность сферы. Если мы в качестве прямых возьмем геодезические на седловидной поверхности, то мы легко представим себе все указанные в таблице свойства геометрии Лобачевского. А геодезические на поверхности сферы помогут нам представить свойства геометрии Б.Римана. Между тремя геометриями существует такое немаловажное с точки зрения космологии различие, что пространства Евклида и Лобачевского бесконечны, а пространство Римана – конечно. В мире Римана все геодезические лини оказываются замкнутыми.

Можно ли установить, какова реальная геометрия Вселенной? В каком мире мы живем – Евклида, Лобачевского или Римана? Чтобы ответить на этот вопрос и сделать наши рассуждения более наглядными, воспользуемся моделью, к которой часто прибегают физики и математики – моделью Флатландии – двумерного мира, который населен плоскими, т.е. двумерными существами. Смогут ли двумерные существа догадаться о том, что они живут не на плоскости, а на поверхности сферы?

В двумерном мире этот факт может получить двоякую интерпретацию:

- либо пространство искривлено (мы живем на поверхности сферы, скажут жители Флатландии)

- либо пространство не искривлено, мир все же плоский, и дело не в геометрии, а в физике: в нашем мире действуют какие-то неисследованные силы, которые деформируют наши измерительные приборы.

Согласно Анри Пуанкаре, спор такого рода неразрешим. Иными словами, в нашем мире сила и кривизна пространства неразличимы. Поэтому, если обнаруживаются отклонения от евклидовой геометрии, то, по мнению А.Пуанкаре, всякий раз возможна альтернатива:

- либо геометрия мира неевклидова; этот путь описания связан с более сложной геометрией, но зато с более простой физикой;

- либо геометрия мира евклидова; но тогда придется ввести дополнительные законы физики, например, законы оптики, объясняющие искривление световых лучей.

Но в итоге можно сделать вывод, что физика и геометриядополнительны: усложнение геометрической картины мира приводит к упрощению физики и наоборот.

Хотя Пуанкаре считал, что спор такого рода неразрешим, но он предсказывал, что физики всегда предпочтут второй путь и никакое усложнение физики не будет слишком дорогой платой за то, чтобы сохранить евклидову геометрию. Однако вопреки предсказанию Пуанкаре Эйнштейн избрал именно первый путь – путь геометризации физики.

Понятие «сила» в современной физике связывается с законами сохранения симметрии. А понятие симметрии явно или неявно отсылает к геометрии если не трехмерного пространства, то пространств с большей размерностью. Так родилась идея гиперпространства. Идея гиперпространства означает лишь то, что пространства с дополнительным количеством измерений могут быть описаны непротиворечиво, даже если не могут быть наглядно представлены.

В некоторых случаях в качестве точек могут рассматриваться такие семантические единицы, которые требуют не трех, а более координат. Это можно пояснить на примере четырехмерного континуума А.Эйнштейна, в котором четвертым измерением является время. Дело в том, что физика Эйнштейна оперирует не вещами, а событиями. Для того, чтобы определить положение вещи, достаточно трех координат. Но для события этого мало. Например, вам нужно встретиться с другом. Вы задаете улицу (длина), номер дома (ширина), квартиру (высота) и еще четвертую координату – время встречи.

А.Эйнштейн мечтал о построении единой теории поля, в которой не только гравитация, но и все остальные виды взаимодействий рассматривались бы как проявления искривления пространственно-временного континуума. Однако для осуществления этой цели четырехмерный континуум, которым оперировала физика А.Эйнштейна, оказался недостаточным. Современные теории «великого объединения» должны оперировать пространствами с размерностью более четырех.

Ближе всех к реализации мечты Эйнштейна подошел малоизвестный польский физик Теодор Калуца (1885 – 1954), который еще в 1921 году задался целью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическую формулировку теории поля (подобно тому, как геометрия пространства-времени описывает гравитацию). Калуца сделал следующий шаг за Эйнштейном, добавил к четырёхмерному пространству-времени пятое (не наблюдаемое) измерение в котором электромагнетизм является своего рода "гравитацией" (о слабом и сильном взаимодействии тогда было не известно). В подтверждение существования гиперпространства он обнаружил, что в пятимерном континууме происходит «математическое чудо»: уравнения гравитации Эйнштейна и уравнения электромагнитного поля Максвелла для пятимерного континуума совпадают.

Но при этом встаёт вопрос: почему же мы никак не ощущаем этого пятого измерения (в отличии от первых четырёх)? В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн (1894 – 1977) дополнил теорию Калуцы, предложив объяснение того, почему мы не замечаем пятого измерения: дело в том, что оно свернуто в очень малых масштабах. То, что мы считаем просто «точкой» пространства, является на самом деле является крохотной петелькой с периметром, близким к 10^-32,

Клейн вычислил периметр петель вокруг пятого измерения, используя известное значение элементарного электрического заряда электрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействия между частицами. Он оказался в 1020 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае не возникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее это измерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.

Но на этом геометризация физики не закончилась. На некоторое время теория Калуцы-Клейна была забыта, но когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были объединены в единую теорию, и оставалось найти общую теорию для них и для гравитации, теорию снова вспомнили. В 1960-е гг. американский физик Джон А.Уилер (1911 – 2008) предложил теорию «кротовых нор», согласно которой не только силы, но и частицы вещества представляют собой искривления пустого пространства.

В 1970-1980-е гг. разработка теории Калуцы-Клейна была уже достроена до картины 11-мерного континуума. Одиннадцатимерный континуум позволил свести воедино не только теории гравитации и электромагнетизма, но и теории всех четырех фундаментальных видов взаимодействия. Дополнительные семь измерений свернуты в столь малых масштабах, что мы не замечаем их.

Для того, чтобы выполнялись все необходимые операции симметрий, пришлось присоединить ещё 7 измерений. А чтобы эти дополнительные измерения не ощущались, они должны быть свёрнуты в очень малых масштабах. Однако, теперь встаёт вопрос: если одно измерение можно свернуть только в окружность, то семь измерений можно свернуть в фигуру различных топологий (либо в 7-мерный тор, либо в 7-мерную сферу, либо в какую-либо другую фигуру). Наиболее простой моделью, к которой склоняются большинство учёных может служить 7-мерная сфера (7-сфера). Как предполагается, четыре наблюдаемых сейчас измерений пространства-времени не свернулись, поскольку такое состояние соответствует наименьшей энергии (к которому стремятся все физические системы). Существует гипотеза, согласно которой на ранних стадиях жизни Вселенной все эти измерения были развёрнуты.

Оперируя гиперпространством, теория относительности не запрещает путешествий в прошлое. Согласно СТО при скоростях, близких к световой, длины тел уменьшаются, а течение времени замедляется. Фотоны света существуют как бы в вечном настоящем. Может ли это значить, что если скорость тела превысит световую, то время будет течь из будущего в прошлое?

Теория относительности основывалась на том, что скорость светаявляется предельной скоростью во Вселенной, однако в современной физике рассматриваются некоторые концепции, в которых допускается превышение скорости света.

Фундаментальная наука может допустить возможность сколь угодно странных и необычных событий, кроме одного – парадокса, т.е. события, логически противоречивого. Однако допущение возврата в прошлое все же приводит к глубокому парадоксу – парадоксу причинности. Допустим,некто, вернувшись в свое прошлое, убил там своего деда, когда тот был еще юнцом и не успел оставить потомства. Иными словами, попав в прошлое, некто может совершить там деяния, в результате которых он сам не появится в будущем. Здесь мы и сталкиваемся с самопротиворечивым событием.

Для того, чтобы избежать парадокса причинности, в 1957 г. была предложена концепция ветвящейся Вселенной Хью Эверетта (1930 – 1982). Согласно этой теории, каждый раз, когда кто-то попадает в прошлое, Вселенная расщепляется на два параллельных мира, в каждом из которых события текут по-своему. В модели Эверетта Вселенная каждый микромомент времени ветвится на бесчисленные параллельные микромиры, каждый из которых представляет собой некую допустимую комбинацию микрособытий.

Антропный принцип. Почему мы не замечаем дополнительные измерения пространственно-временного континуума, если они существуют? Почему мы ощущаем только три пространственных и одно временное измерение? Возможно, что причина действительно кроется в том, что другие измерения «свернуты» в очень малое пространство, размером порядка единицы, деленной на единицу с тридцатью нулями доли сантиметра. Но тогда возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не все измерения должны свернуться в маленький шарик?

Один из возможных ответов выводится на основе антропногопринципа. Термин «антропный принцип» впервые предложил в 1973 г. английский физик Брэндон Картер. Впрочем, как обнаружили историки науки, сама идея неоднократно высказывалась и ранее. Первыми её ясно высказали физик А. Л. Зельманов в 1955 году и историк науки Г. М. Идлис на Всесоюзной конференции по проблемам внегалактической астрономии и космологии (1957). В 1961 г. ту же мысль опубликовал Р. Дикке. Антропный принцип задается вопросом, специально ли Вселенная устроена таким образом, чтобы в ней смогла зародиться жизнь. Так, если только несколько фундаментальных законов физики (или физических констант) были бы хоть немного иными, то жизнь не смогла бы образоваться. Мы не знаем, почему физические параметры именно такие, какие они есть. Возникает вопрос: почему наша Вселенная приспособлена к возникновению жизни? Разве это не невероятная случайность? Соответственно ответу, выделяют слабый и сильный антропный принцип.

Сильный антропный принцип: Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни. Сильный антропный принцип подразумевает, что вселенная должна быть такой, чтобы в ней на определенном этапе было возможно существование наблюдателя – разумного существа – человека.

Вариантом сильного АП является антропный принцип участия, сформулированный в 1983 г. Джоном Уилером: наблюдатели необходимы для обретения Вселенной бытия.

Слабый антропный принцип: во Вселенной встречаются разные значения мировых констант, но наблюдение некоторых их значений более вероятно, поскольку в регионах, где величины принимают эти значения, выше вероятность возникновения наблюдателя. Слабый антропный принцип заключается в том, что все, что человек может наблюдать, ограничено условиями его существования. Другими словами, значения мировых констант, резко отличные от наших, не наблюдаются, потому что там, где они есть, нет наблюдателей

Различие этих формулировок можно пояснить так: сильный антропный принцип относится к Вселенной в целом на всех этапах её эволюции, в то время как слабый касается только тех её регионов и тех периодов, когда в ней теоретически может появиться разумная жизнь. Из сильного принципа вытекает слабый, но не наоборот.

Антропный принцип заключается в том, что во Вселенной, условия, необходимые для развития разумных существ, будет выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Двух пространственных измерений недостаточно для того, чтобы могли развиться такие сложные существа, как люди. Трудности возникли бы и в том случае, если бы число пространственных измерений было больше трех. В этом случае гравитационная сила между двумя телами быстрее возрастала бы с расстоянием, т.к. когда расстояние удваивается, в трех измерениях гравитационная сила уменьшается в четыре раза, в четырех измерениях - в восемь раз, в пяти - в шестнадцать и т.д. Это значит, что орбиты планет, например, Земли, вращающихся вокруг Солнца, были бы нестабильны в том смысле, что малейшее отклонение от круговой орбиты привело к тому, что Земля стала бы двигаться по спирали либо от Солнца, либо к Солнцу. Мы тогда бы либо замерзли, либо сгорели. Да и с Солнцем творилось бы неладное: оно или бы распалось на части, или сколлапсировав, превратилось бы в черную дыру. В результате мы приходим к выводу, что жизнь может существовать лишь в таких областях пространства-времени, в которых одно временное и три пространственных измерения не очень сильно искривлены. Допускает ли струнная теория существование таких областей? По-видимому, да. Хотя вполне могут существовать и другие области Вселенной или другие вселенные.

Правда, современные ученые пытаются преодолеть старое заблуждение о том, что мы – в некотором смысле «центр всего». Подобно тому, как Коперник провозгласил, что мы не представляем собой центра нашей Солнечной системы, мы и не центр Вселенной. Более того, согласно современной космологической модели, основанной на ОТО Эйнштейна, Вселенная вообще не имеет центра. Однако на некоторые вопросы, задаваемые исходя из антропного принципа, ответить по-прежнему трудно. Вопрос о нашей исключительности может быть решен в рамках концепции множественности миров или множественности реальностей. Например, если наша Вселенная – одна из многих в многомерном пространстве, то нет ничего удивительного в нашем существовании: просто мы существуем в том мире, в котором один из наборов условий этому способствует. Это как остров с подходящим климатом.

Иными словами, формулировка антропного принципа опирается на предположение, что наблюдаемые в наше время законы природы не являются единственными реально существующими (или существовавшими), то есть должны быть реальны Вселенные с иными законами.

Физики исследовали несколько вариантов размещения в пространстве и времени альтернативных Вселенных.

· Одна Вселенная, в ходе бесконечной эволюции которой физические константы меняются, принимая всевозможные значения. При благоприятном сочетании констант возникает разумный наблюдатель.

· Одна Вселенная, разбитая на множество невзаимодействующих пространственных областей с разными физическими законами. В тех областях, где имеется благоприятное сочетание фундаментальных констант, возникает разумный наблюдатель.

· Множество параллельных миров (Мультивселенная), реализующих разнообразные законы природы.

· Вышеупомянутый АПУ Уилера означает, что Вселенные без разумного наблюдателя не обретают статус реальности. Причина этого в том, что только наблюдатель в состоянии осуществить редукцию квантового состояния, переводящую ансамбль возможных состояний в одно, реальное. В 2005 году АПУ получает свое естественное продолжение: «Отправители необходимы для привнесения сознания во Вселенную … Другими словами, разумные низкоэнтропийные METI-сигналы представляют собой осознанный вклад в строение Вселенной».^.

Пространство и время. В современной физике возникает попытка критической переоценки той «геометризации» времени, которая господствовала в теоретической механике. Возможно, время не есть четвертое измерение пространства, как считал Эйнштейн, а время – это время? Так что же такое время?

Понятия пространства и времени являются одними из базовых понятий физики. Издавна они используются в паре друг с другом. Это связано с тем, что и то, и другое выражает порядок – упорядоченность, встречающуюся в мире. Вместе с тем они сильно различаются по смыслу, поскольку смысл понятия времени связан с упорядочиванием событий, которые приходят на смену друг другу (одно после другого), в то время как смысл понятия пространства связан, напротив, с упорядочиванием сосуществующего (одно рядом с другим). Пространство и время противоречивы, поскольку во1-х, они есть единство относительного и абсолютного и во2-х, потому что они есть единство прерывности и непрерывности.

Время чаще всего ассоциируется с проблемой начала мира и его судьбы. Время – одно из самых знакомых человеку свойств нашего мира. И вместе с тем оно имеет репутацию самого загадочного. Загадочность времени связана с его течением, с существованием потока времени. Под течением времени понимают его логическое свойство, заключающееся в том, что настоящий момент, который мы называем «теперь, сейчас», как бы постоянно движется в направлении будущего, увеличивая объем прошлого, оставляемого за собой. Пространство же никогда не вызывает такого личностного чувства и обычно представляется более ясным, чем время, за исключением вопроса о размерности пространства, который придает ему облик загадочности, или тогда, когда нас интересуют размеры мира: является ли Вселенная конечной или бесконечной, ограниченной или безграничной.

В естествознании сложились два различных концептуальных подхода к оценке пространства и времени, связанные с классической (ньютоновской) и релятивистской (эйнштейновской) динамикой. В классической динамике пространство и время считаются абсолютными, т.е. неизменными, вечными, не зависящими от свойств материи или характера движения объектов. Пространство является строго геометрическим (своего рода пустым ящиком, вмещающим все тела в мире). Аналогично представляется и время, абсолютно не зависящим от Материи (вечное мировое время).

С открытием электромагнитных явлений, после создания релятивистской динамики (теории относительности), абсолютную концепцию пространства и времени заменила релятивистская, где свойства пространства и времени зависимы от свойств материи и скорости движения объектов. Иначе говоря, пространство и время относительны и могут меняться. Но, главное, они взаимосвязаны и неразрывны как единое целое, и образуют единый пространственно-временной континуум.

Физические концепции времени и пространства неразрывно связаны с их философскими интерпретациями. С самого начала в философии выявились две позиции по отношению к времени, одна из которых, названная метафизической, не включала время в понятие бытия. Основоположниками этого подхода стали элейские философы. Эта тенденция исходит из традиции делить мир на объективное и субъективное, которая тянется со времен античности.

В течение более чем двух с половиной тысячелетий европейская философия, а потом и европейская наука и культура разделяли весь универсум на объективное и субъективное, не признавая при этом никакой третьей реальности. К объективному причислялись не только материальные вещи, но и идеи, общие понятия и т.д., в качестве же субъективного традиционно рассматривались мнения людей и, прежде всего, их представления и чувственные восприятия. Таким образом, западноевропейская мысль основывалась на принципе «двойных ценностей», т.е. исходила из наличия только объективных и субъективных феноменов.

Этот принцип сложился в античной философии и науке благодаря сформировавшемуся еще в рамках мифологического сознания мышлению посредством бинарных оппозиций, на котором была построена западноевропейская логика. При этом большинство философов и ученых стали рассматривать в качестве значимой только одну из указанных реальностей – объективное (орто-объекты). Другую реальность – субъективное – рассматривали как не имеющую предметного значения (псевдо-объект). К такой «беспредметной» реальности отнесли и время. И на протяжении всей своей истории наука пыталась исключить субъективность из своих теоретических построений и эмпирических исследований, опираясь на весьма упрощенную традицию (о чем говорит закон исключенного третьего Аристотелевой логики).

С точки зрения Парменида, родоначальника элейской школы, время являлось псевдо-объектом, учитывая трудность его экспериментального исследования, поэтому оно отсылается им в область Небытия (Ничто), а необходимость помыслить движение времени, длительность, сводилось к пространству, которое приняло фундаментальное значение.

Опространствование времени видно в таких понятиях как «два дня пути», «двадцать лет жизни» и т.д.

Другая точка зрения принадлежала Гераклиту, который рассматривал мир не статически, как элеаты, а динамически: как непрерывное движение, изменение и борьбу противоположных сил. В мире Гераклита время не только наличествует, но и играет в нем ключевую роль. Время у Гераклита более фундаментально, чем пространство, ибо в отличие от пространства оно ничем не ограничено, не имеет ни начала, ни конца. К сожалению, получила распространение именно статическая концепция элеатов.

Тенденция по исключению времени из научного рассмотрения, особенно окрепшая в Новое время, красной нитью прошла через работы не только Ньютона, но и Эйнштейна. Последний практически свел время к четвертой пространственной координате.

В итоге в философии сформировались две концепции пространства и времени: реляционная и субстанциальная. Согласно субстанциальной концепции пространство и время являются самостоятельными сущностями, отличными от материи, и вещей. В рамках субстанциального подхода (от «субстанция») пространство и время понимаются как независимые от материальных тел сущности, обладающие собственным бытием.

В реляционных концепциях пространство и время зависимы от вещей (субстанций). Время – это свойство вещей и тел (т.е. материи), пространство тоже существует как характеристика тела. Чистого пространства и времени нет.

В первобытности пространство и время находятся еще на уровне предположений, они выглядят как единство наглядных образов и первичных абстракций (восток – там, где восходит солнце, время – там, когда жили). На первом плане оказывается категория пространства, время же не воспроизводилось как нечто необратимое, время представлялось как некие циклические изменения, повторяющиеся через определенный промежуток. Не было разделения на прошлое, настоящее и будущее. Настоящее – было длящимся прошлым, повторением того, что было. Но уже в тот период складываются зачатки субстанциального и реляционного представления о пространстве и времени. С одной стороны, человек осознавал некую зависимость от пространства и времени. Время течет: течет помимо его воли, его понимания. Вместе с тем были представления, что время – это время его народа, а пространство – как своего (в сравнении с чужим). Переживание времени и пространства как своего соответствует реляционному представлению (язык позволяет относиться субстанциально).

В период Античности субстанциальная концепция складывается у Демокрита, реляционная – у Аристотеля (у него нет чистого времени, а пространство – характеристика некоторого тела). В этот же период выделяется ряд фундаментальных свойств пространства и времени: Реляционная концепция Аристотеля на долгий период возобладала в истории философии.

С одной стороны, древние греки выделяют однородность пространства и времени (равноправие всех его точек) с другой стороны, греки отмечают и неоднородность пространства (Аристотель, например, выделил два подмира – подлунный и небесный – различные по своим характеристикам, живут по разным законам).

Древние греки отмечают также и изотропность пространства и времени (равноправие всех его направлений), на этих свойствах базировалась геометрия Эвклида. С другой стороны, отмечалась также неизотропность пространства. У того же Аристотеля имеется наличие выделенного направления (заметили, что движение, перемещение направлено в сторону Земли, природа направляет тела прежде всего туда).

Выделяют также трехмерность пространства и одномерность времени. Внимание уделяют больше пространству, чем времени, поскольку динамика общества еще невелика. Особое внимание уделяют объему (в скульптуре и архитектуре) что является характеристикой пространства: греческая культура стандартна.

В Средневековье опять доминирует характеристика пространства (динамика общества невелика, чтобы обращать внимание на время). Особое внимание уделяется вертикали, движению сверху-вниз и снизу-вверх, отсюда и церковная иерархия, и готика в архитектуре. Есть выделенная точка в пространстве и выделенное направление. Направление к выделенному месту считалось привилегированным, это связано с закреплением индивида в своей общине. Предпочтение реляционной концепции отдавалось. Время формируется постепенно, существует взгляд на него как на линию, связанный с появлением христианства. Взгляды соответствуют трем точкам в мире, вознесенным во времени. Это настоящее, прошлое и будущее, соответствующие времени: до пришествия Христа, во время Христа, после Христа.

В эпоху Возрождения категория времени приравнивается к категории пространства. Особое внимание уделяется ощущению глубины, переживанию. Появляется понимание индивидуального времени (часы).

Новое Время характеризуется борьбой реляционной и субстанциальной концепций. Постепенно начинает доминировать субстанциальная концепция. В Новое Время категория времени выходит на первый план. Переживание динамики становится доминирующим. С этого периода начинают дорожить временем (время – деньги). Существование субстанции порождает время, потом пространство. Время – чистая длительность, равномерно текущая. Пространство – ящик без дна и стенок, куда попадают тела(например, в механике Ньютона).

Новое время характеризуется попыткой различить объект и субъект – пространство и время. Время становится предметом осмысления субъекта. Появляются концепции, где пространство исключительно объективно, а время – субъективно. (Локк: время – характеристика, принадлежащая психологии). Появляются и полностью субъективистские трактовки пространства и времени. (Беркли, Юм – ничего объективного нет, все субъективно, время – последовательность наших ощущений, пространство – их рядоположенность).

Глубокие изменения в истолковании пространства и времени произошли в Новое Время в связи с возникновением и развитием современного естествознания и прежде всего созданием ньютоновской физики. Ньютон возродил субстанциальный подход, введя понятия Абсолютного пространства и Абсолютного времени. Последние, существуй они реально, представляли бы идеальную систему отсчета, пользуясь которой можно было бы сказать, каково на самом деле расстояние между двумя предметами, сколько на самом деле прошло времени между двумя событиями, с какой скоростью на самом деле движется тело. Однако природа оказалась устроена сложнее и интереснее.

Те свойства времени и пространства, которые сформулированы в классической механике, стали рассматриваться как свойства времени и пространства вообще. Это свойства непрерывности, бесконечности, безграничности, однородности, изотропности, абсолютности, а также свойство одномерности для времени и трехмерности для пространства.

С немецкой классической философии наблюдается возрождение реляционной концепции пространства и времени (у Гегеля). В современной философии пространство – это категория, характеризующая протяженность и порядок сосуществования вещей. Время – категория, характеризующая длительность и порядок смены вещей. В современной философии в пользу реляционной концепции пространства и времени, говорит то, что чистого пространства и времени нет. Пространство и время рассматриваются как свойства движущейся субстанции. Пространства и времени вне субстанции и тел нет, как нет субстанции и вещей вне пространства и времени. Согласно свойствам субстанции, пространство и время связаны между собой, образуя единое целое. Таким образом, категорию пространства можно вывести из категории времени, а категорию времени из категории пространства, поскольку у категории пространства и времени есть некий общий знаменатель – движение, изменение.

Современная сциентистская философия опирается на достижения Эйнштейновской физики, которая показала, зависимость пространства и времени от движущихся тел. Теория относительности дает представление о том, что общее свойство пространства и времени определяется взаимным расположением гравитационных масс. Время тоже течет по-разному, может ускоряться и замедляться. При скоростях, близких к скорости света, время замедляется, и размеры сокращаются.

В социальности пространство и время также тесно связаны. Если какой-то организм можно ограничить в пространстве, то он перестает развиваться, время становится замкнутым для него, теряет необратимость, двигаясь по кругу.

Свойства пространства и времени. Свойства времени и пространства существенно влияют на характер протекания процессов. Привычные для нас пространство и время – это физическое пространство и время, воспринимаемые на макроуровне. Здесь пространство характеризуется трехмерностью, а время – одномерно. На этом уровне пространство и время характеризуются однородностью, а пространство еще и изотропностью.

Однородность пространства означает, что перенос объекта в пространстве не влияет на характер протекания процессов в нем, т.е. любая точка в пространстве физически равноценна.

Однородность времени следует трактовать как неразличимость всех моментов времени для свободных объектов. Все моменты времени равноправны.

Однородность пространства и времени обуславливает универсальность законов природы в любой точке Вселенной.

В биологическом мире время неоднородно, точки будущего здесь доминируют над точками прошлого и настоящего, поэтому тела могут развиваться быстрее, что доказывает наличие выделенной точки (устремленность в будущее). Кроме всего прочего, время здесь принципиально необратимо. Поэтому циклический процесс жизни связан с прогрессивным и регрессивным развитием. Биология демонстрирует тесную связь пространства и времени: если живой организм теряет ориентацию в пространстве, то во времени тоже (умирает).

В социальном мире тоже такая специфика: время здесь доминирует над пространством в силу повышенной динамичности социальной системы. Социальное пространство не может измеряться физическими единицами измерения, поскольку это не имманентная, а внешняя характеристика. Различные страны могут проходить одну и ту же эпоху на разных временных промежутках. За один и тот же промежуток различные государства могут проделать разный путь. Здесь время течет медленно, хотя астрономически это может быть тот же период времени. Другими являются и единицы пространства – измеряются степенью напряженности экономических, политических, культурных связей между элементами социального (а не расстояниями на поверхности земли между этими элементами).

Изотропность пространства означает инвариантность относительно изменения направления: все направления в пространстве равноправны, ни одно из них не лучше и не хуже других. Это следует понимать в том смысле, что поворот изолированной физической системы как целого не изменяет ее свойств.

В биологическом мире наряду с однородностью и изотропностью пространства имеет место и анизотропность пространства, когда становятся выделенными точки и направления – в этом случае становится доминирующей асимметрия, неодинаковость правых и левых форм (например, у вьющихся растений).

Время анизотропно. В отличие от пространства, время не изотропно: направления «по течению» времени и «против течения» не эквивалентны. Каждому приходилось наблюдать, как стакан падает со стола, разбивается, а вода из него разливается по полу, но никому не удалось наблюдать обратную картину. Повседневный опыт убеждает нас, что многие процессы в мире необратимы.

Общеизвестно также, что время одномерно, а пространство трехмерно. Но если обратиться к микро- или мегауровню, ситуация меняется. Пространство на микроуровне имеет 6 измерений (на уровне элементарных частиц). А на мегауровне возможно 26 (по крайней мере, доказанным фактом является 11-мерное пространство). В микро- или мегамире пространство и время могут быть неоднородными, могут быть выделенные точки пространства, а само пространство может быть неизотропным – иметь выделенное направление движения.

В биологическом мире трехмерность пространства соседствует с одно- и двухмерным Например, нуклеиновые кислоты имеют линейчатую форму организации (т.е характеризуются двухмерностью).

Симметрия. Одна из наиболее принципиальных проблем, с которой столкнулась механическая картина мира, заключалась в том, что уравнения механики инвариантны относительно обращения времени. Если в них заменить t на –t, их вид не изменится. Другими словами, с точки зрения механики любой процесс может идти с равным успехом, как в прямом, так и в обратном направлении.

Однако при попытке распространить механические закономерности на всё происходящее, возникает противоречие между обратимостью «механического мира» и необратимостью многих процессов в мире реальном. Противоречащая опыту обратимость механики стала одним из наиболее весомых аргументов против механической картины мира.

Понятием необратимости может быть выражено главное различие между временем и пространством. Необратимость означает, что ни одно событие в мире нельзя повторить дважды. Можно даже сказать так: поскольку в мире существует необратимость, постольку существует и время как нечто отличное от пространства.

Одно из объяснений физического смысла необратимости предлагает нам термодинамика. Согласно второму закону термодинамики, который называют также законом возрастания энтропии, все события могут развиваться только в одну сторону: от состояний с меньшей энтропией к состояниям с большей энтропией. Второй закон термодинамики позволяет провести различие между более ранними и более поздними состояниями не субъективным образом, а объективным. У всякого события есть возраст: более поздние состояния отличаются от более ранних большей энтропией. Таким образом, будущее от прошлого отделено энтропным барьером. Связь между законом возрастания энтропии и направлением времени называется термодинамической стрелой времени.

Другое объяснение предлагает электродинамика. Оно связано с характером распространения электромагнитных волн. Его принято называть электромагнитной стрелой времени. В нашем мире наблюдаются только волны, которые распространяются от точечного источника в бесконечность – т.н. запаздывающие волны, – но не наоборот. Противоположного процесса, т.е. волн, сходящихся из бесконечности к точечному источнику – т.н. опережающие волны – до сих пор не наблюдалось.

Еще одно объяснение необратимости получило название космологической стрелы времени. Расширение Вселенной, констатируемое космологами, лежит в основе той глобальной асимметрии мира, которую мы воспринимаем как необратимость времени.

Обратимость имеет отношение к симметрии.Симметрия как философское понятие означает процесс существования и становления тождественных моментов между различными и противоположными состояниями явлений мира. Обычно симметрия понимается как правильное, взаимно соответствующее расположение частей объекта, образующее пропорциональную, сбалансированную форму. Для многих высших животных характерна двусторонняя симметрия, для более примитивных организмов — радиальная (морские звезды) или даже сферическая (радиолярии). Симметричны, в обыденном понимании, кристаллы, звезды и галактики, фасады зданий и стихотворные строфы, корпуса технических устройств и композиции живописных полотен. Пример симметрии в таком, широком, смысле описан в басне И.А. Крылова «Квартет».

Однако в естествознании симметрию понимают иначе. С точки зрения естествознания, симметрия — это инвариантность (неизменность) объектов или их свойств относительно того или иного преобразования. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях и выделять во всей совокупности преобразований такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам. В зависимости от того, какие преобразования сохраняют объект инвариантным, его симметрию относят к тому или иному виду.

ü Самые привычные для нас симметрии — геометрические (пространственные). Именно они чаще всего подразумеваются, когда слово «симметрия» употребляют в обыденном значении. Геометрические симметрии сводятся к инвариантности относительно того или иного геометрического преобразования: поворота вокруг оси, отражения в плоскости, инверсии относительно точки и т.д.

ü Другой вид симметрий — динамические, сводящиеся к инвариантности хода того или иного процесса относительно изменения условий его протекания.

ü Симметрии могут быть неполными. Например, наше тело симметрично, но при этом, у нас одно сердце, печень и т.д.

ü Симметрии могут быть нарушенными. Нарушение симметрии тесно связано с процессами эволюции, развития, возникновения упорядоченных структур. По современным космологическим представлениям, вещество в молодой Вселенной было распределено однородно, что соответствует симметричному ее состоянию. Различия, типы взаимодействий, являются результатом самопроизвольного, спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума.

Эволюция Вселенной тогда предстает как синергетический самоорганизующийся процесс: в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «Большого Взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. Утверждение самоорганизации систем через самопроизвольное нарушение исходного типа симметрии в точках бифуркации и есть принцип синергии.

Выбор направленности самоорганизации в точках бифуркации, т.е. в точках самопроизвольного нарушения симметрии не случаен. Он определен как бы присутствующим уже на уровне суперсимметрии вакуума «проектом» человека, т.е. проектом существа, спрашивающего о том, почему мир таков.

ü В современной физике употребляется также понятие калибровочной симметрии, которое играет важную роль при описании свойств элементарных частиц. Калибровочная симметрия — это инвариантность относительно изменения начала отсчета или масштаба измерения той или иной физической величины.

Законы сохранения симметрии. Пространство и время тоже обладают рядом свойств симметрии. Это утверждение имеет статус эмпирического обобщения, то есть основано на результатах бесчисленных наблюдений и опытов. Поскольку все мировые процессы, физические, химические и биологические, разворачиваются в пространстве и во времени, то законы сохранения, вытекающие из пространственно-временных симметрий, имеют всеобщий характер. Если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина. К примеру, из однородности времени вытекает закон сохранения энергии. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса (другое название импульса — количество движения). Изотропность пространства приводит к закону сохранения момента импульса — величины, характеризующей количество вращательного движения. Согласно теореме, доказанной в 1918 году немецким математиком Амалией Эмми Нётер (1882 – 1935), наличие у системы любой симметрии приводит к сохранению определенной величины, характеризующей эту систему.

Каждый фундаментальный физический закон описывает вполне определенные объекты окружающего мира вне зависимости от того, где они находятся. Универсальность физических законов заключается в том, что они применимы к объектам всего мира, доступным нашим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных приборов. Атомы везде одинаковы – на Земле и в космосе. Это подтверждается результатами исследований в космосе и наблюдаемыми спектрами электромагнитного излучения различных космических объектов. Законы сохранения импульса и энергии применимы для описания не только для движения тел на Земле, но и взаимодействия элементарных частиц, а также движения планет и звезд. Универсальность физических законов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.

Значение симметрий в естествознании. Исследование симметрий природных объектов и взаимодействий является важнейшим методом естественных наук. Во-первых, это один из способов сведения многообразия окружающего мира к ограниченному набору закономерностей.

В теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия при этом рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Если мы установили, что любые два электрона принципиально неотличимы, то вместо изучения каждого из бесчисленных электронов в мире можно ограничиться изучением свойств любого одного из них. Если мы знаем, что электрон и позитрон симметричны друг другу относительно изменения знаков зарядов, то мы можем не приводить в справочниках массу и магнитный момент позитрона: они такие же, как у электрона.

Во-вторых, симметрия свойств объектов отражает симметрию их внутренней структуры.

В-третьих, свойства симметрии объектов и взаимодействий тесно связаны с законами сохранения — важнейшими законами природы.

В-четвертых, анализ симметрии — один из наиболее мощных эвристических приемов научного поиска.

Дата добавления: 2013-12-13