Лекция 6. Пространство и время

1. Пространство и время в истории философии и в естествознании.

2. Свойства пространства и времени.

3. Проблема обратимости и симметрии. Виды симметрий и фундаментальные законы их сохранения.

4. Объединение физики. Теория Великого объединения и антропный принцип. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции.

Пространство и время в истории философии. Понятия пространства и времени являются одними из базовых понятий физики. Понятия пространства и времени издавна используются в паре друг с другом. Это связано с тем, что и то, и другое выражает 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).

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. С начала возникновения философии, время отсылается в область Ничто, учитывая трудность его экспериментального исследования.

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 истории философии сформировались две концепции пространства и времени: реляционная и субстанциальная. Согласно субстанциальной концепции пространство и время являются самостоятельными сущностями, отличными от материи, духа и от 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 рассматриваются как зависимые от вещей (субстанций). Время – это свойство вещей и тел (т.е. материи), пространство тоже существует как характеристика тела. Чистого пространства и времени нет.

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 одномерность для времени и трехмерность для пространства, непрерывность, бесконечность, безграничность, однородность, изотропность, абсолютность.

Пространство и время в естественнонаучной картине мира. Физические концепции времени и пространства неразрывно связаны с их философскими интерпретациями. 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, т.е континуальны, и образуют единый пространственно-временной континуум.

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. Важнейшим свойством времени и пространства является их однородность.

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

Время однородно. 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.

Пространство изотропно. Изотропность 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.

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

Общеизвестно также, что время одномерно, а пространство трехмерно. Если обратиться к микро- или мегауровню, ситуация меняется.

Проблема обратимости механики и 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. Обратимость имеет отношение к законам сохранения симметрии.

Обычно симметрия понимается как правильное, взаимно соответствующее расположение частей объекта, образующее пропорциональную, сбалансированную форму. Симметричны в этом, обыденном, смысле фасады зданий и стихотворные строфы, корпуса технических устройств и композиции живописных полотен. 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. Однако в естествознании понимают симметрию шире.

Пример симметрии в таком, широком, смысле описан в басне И.А. Крылова «Квартет».

Симметрия — это инвариантность (неизменность) объектов или их свойств относительно того или иного преобразования.

Симметрия как философское понятие означает процесс существования и становления тождественных моментов между различными и противоположными состояниями явлений мира. 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.

Виды симметрий. В зависимости от того, какие преобразования сохраняют объект инвариантным, его симметрию относят к тому или иному виду. 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.

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

Симметрии могут быть неполными.

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.

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

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.

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

В-четвертых, свойства симметрии объектов и взаимодействий тесно связаны с законами сохранения — важнейшими законами природы. Согласно теореме, доказанной в 1918 году Эмми Нётер, наличие у системы любой симметрии приводит к сохранению определенной величины, характеризующей эту систему.

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.

В 1918 г Эмми Нётер было доказано, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина. 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.

Например, из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса (другое название импульса — количество движения). Из однородности времени вытекает закон сохранения энергии:

Изотропность пространства приводит к закону сохранения момента импульса — величины, характеризующей количество вращательного движения.

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.

На пути построения единой теории поля. Проблема полноты квантовой механики. Мы знаем, что в начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. Последние годы своей жизни Эйнштейн почти целиком посвятил поискам единой теории, но время для этого тогда еще не пришло. К тому же Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту огромную роль, которую он сам сыграл в ее развитии.

Объединение физики. Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной. Работа по созданию такой теории называется объединением физики. Надежды на построение такой теории со временем возрастают, ибо мы сейчас значительно больше узнали о Вселенной.

Универсальный способ сведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения. Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий, которая была создана в 60-х годах американскими физиками С.Вайнбергом, Ш.Глэшоу, пакистанским физиком А.Саламом и др. Позднее она получила название стандартной теории электрослабого взаимодействия.

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодейст­вий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких теорий.

В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие, которое по-прежнему описывают в терминах ОТО.

Из физики мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях: слабых, сильных, электромагнитных и гравитационных. Первые три взаимодействия могут быть объединены, но такая теория неудовлетворительна, потому что она не включает гравитацию. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.

В настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

Другие же теории связаны с квантовой механикой. Такие теории создавались в последнее время, но у них был весьма существенный недостаток: в них возникали бесконечные значения энергий, масс.

Примерно в 1976 г. появилась надежда на решение проблемы с бесконечностями. Это теория супергравитации. Суть этой теории в том, что гравитон (частица, с помощью которой гравитационное поле взаимодейс­твует) объединяется с некоторыми новыми частицами и тогда все эти частицы можно рассматривать как разные виды одной и той же «суперчастицы». Таким образом, осуществляется объединение частиц материи.Однако, для того, чтобы выяснить, все ли бесконечности устранены, потребовалось проделать такое количество громоздких и сложных расчетов, что ими никто не стал заниматься.

В 1984 г. общее мнение ученых изменилось в пользу так называемых струнных теорий М.Грина, Дж.Шварца, Э.Виттена. Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры типа бесконечно тонких кусочков струны, не имеющие никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободными, либо соединенными друг с другом. Струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Тогда ее движение в пространстве-времени изображается двухмерной поверхностью, которая называется мировым листом. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец. В теориях суперструн тоже возникают бесконечности, но есть надежда, что в тех или иных видах этих теорий эти бесконечности сократятся. Но струнным теориям присуща более серьезная трудность: они не противоречивы лишь в десяти- или двадцатишестимерном пространстве, а не в обычном трехмерном.

Теория струн затрагивает самые важные вопросы мироздания и является более разработанной современной попыткой ответа на вопросы о природе фундаменталь­ных взаимодействий. Однако, несмотря на огромный интерес к теории и замечательные достижения, следует сказать, что основные проблемы здесь остаются открытыми. И главная проблема - отсутствие экспериментальных предсказаний.

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?

В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий: гравитационного, сильного, слабого и электромагнитного. Все они имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. Это позволяет предположить существование первичного суперсимметричного поля, в котором еще нет различия между типами взаимодействий. Различия, типы взаимодействий, являются результатом самопроизвольного, спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума.

Эволюция Вселенной предстает тогда 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. Это антропный принцип, который в физике сформулировал в 1962 г Д.Дике. Он дает один из возможных ответов на вопрос, почему лишь некоторые, а не все измерения свернуты в ничтожно малом масштабе. Антропный принцип заключается в том, что во Вселенной, великой или бесконечной в пространстве или во времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будет выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и во времени.

Выделяют слабый и сильный антропный принцип. Слабый антропный принцип заключается в том, что все, что человек может наблюдать, ограничено условиями его существования. Сильный антропный принцип подразумевает, что вселенная должна быть такой, чтобы в ней на определенном этапе было возможно существование наблюдателя – разумного существа – человека.

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.

Дата добавления: 2014-01-05