Пеньков Виктор Евгеньевич естественнонаучные представления о пространстве и времени учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Антонов Е.А. 1.2. Проблемы абсолютного пространства. Понятие эфира. 1.3. Опыт Майкельсона и его результаты. 2. Пространство-время в специальной теории относительности 2.2. Относительность пространства и времени. 2.3. Сокращение длины и замедление времени. 2.4. Относительность одновременности. 2.5. Парадоксы специальной теории относительности. 2.6. Выводы из специальной теории относительности. 3. Пространство-время в общей теории относительности 3.1. Искривление пространства-времени и его связь с материей. 3.2. Черные дыры - экзотические объекты Вселенной. 3.3. Физика и геометрия. 3.4. Общая теория относительности и релятивистская теория гравитации. 4. Свойства физического пространства-времени 4.2. Необратимость времени. 4.3. Бесконечность пространства-времени. 5. Пространство-время и топология Вселенной 5.2. «Дыры» в пространстве-времени и возможность сверхбыстрого перемещения. 5.3. Гипотеза о существовании фридмонов. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебное пособие Учебное пособие характеризует экзистенциализм в русском информационном, 2303.18kb.
• Виктор Сергеевич Стародубцев учебное пособие, 718.78kb.
• Е. М. Журавлева уголовный закон учебное пособие, 528.54kb.
• Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
• Черноморец Альберт Евгеньевич доктор юридических наук, профессор Алексеев Алексей Павлович, 1348.21kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 454.51kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 794.09kb.
• Учебное пособие, 2003 г. Учебное пособие разработано ведущим специалистом учебно-методического, 783.58kb.
• Е. Г. Непомнящий Учебное пособие Учебное пособие, 3590.49kb.
• Представления о пространстве и времени в картине мира декабристов, 1365.8kb.

Белгородский государственный университет


Кафедра естественнонаучных дисциплин и

новых информационных технологий


Пеньков Виктор Евгеньевич

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ


Учебное пособие по курсу
«Концепции современного естествознания»
для студентов гуманитарных факультетов


Белгород – 2002

ББК 87.251.1я73 Печатается по решению РИС

П 25 Белгородского госуниверситета

Рецензенты:


доктор философских наук, профессор БелГУ

Антонов Е.А.


кандидат педагогических наук, доцент БелГУ

Ситникова М.И.


Пеньков В.Е.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени: Учеб. пособие. – Белгород: Изд-во БелГУ, 2002. – 40 с.


В пособии рассматриваются категории пространства и времени и их связь с различными формами движения материи. Особое внимание уделяется взаимодействию пространственно-временных структур с топологией Вселенной, с законами симметрии в природе, с единой теорией поля, с биологической и социальной формой движения материи.

Работа может быть рекомендована в качестве учебно-методического пособия для студентов гуманитарных факультетов, изучающих курс «Концепции современного естествознания».


© Пеньков В.Е., 2002

© Издательство Белгородского

государственного университета, 2002


ВВЕДЕНИЕ


Пространство и время представляют собой формы существования материи. С первых лет жизни человек сталкивается с различными предметами и процессами, научается сравнивать размеры тел, скорости их перемещения, длительность тех или иных процессов. Таким образом, у него складываются определенные представления о пространстве и времени.

Однако такие чисто интуитивные понятия не могут дать человеку ответа на вопрос, что же представляют собой данные категории и какова их роль в физических процессах и явлениях. Являются ли пространство и время самостоятельными субстанциями, которые могут существовать сами по себе, или же они неразрывно связаны с материей и могут проявляться только с ней в единстве, могут ли оказывать влияние на материальные процессы?

В естествознании по этому вопросу существуют две концепции: субстанционная и реляционная. Первая из них придерживается подхода об абсолютных, ни от чего не зависящих пространстве и времени; вторая предполагает связь этих категорий с материей и ее движением – пространство и время есть формы бытия материи, и без нее существовать не могут.

Формирование представлений об указанных субстанциях началось в глубокой древности.

Представления древних уче­ных о пространстве были крайне противоречивы и в большинстве случаев построены на интуиции, по­скольку каких-либо научных данных, с помощью которых можно было бы проверить правильность тех или иных гипотез, тогда еще не было.

Первой последовательной, логически завершенной картиной мира, включающей в себя не только объяснения некоторых фактов, но и претендующей охватить все бытие в целом, была механическая картина мира, основы которой заложил И. Ньютон в конце XVII века. В механике пространство и время рассматривались как абсолютные, независимые друг от друга и от материи субстанции.

В начале ХХ века с созданием А. Эйнштейном специальной теории относительности было признано, что пространство и время являются взаимозависимыми и не существующими друг без друга. Дальнейшее развитие идей относительности показало, что наличие и движение материальных объектов могут изменять метрику пространственно-временной структуры. Таким образом, оказалось, что пространство и время являются относительными, однако это становится заметным либо при огромных скоростях, либо в больших гравитационных полях.

На пороге XXI века стало ясно, что свойства пространства и времени, а также их метрика в какой-то степени определяют структуру мира: принципы симметрии, законы сохранения, топологию Вселенной и др.

Поскольку в природе существуют различные формы движения материи, то и пространственно-временные структуры также должны быть различными. Причем, определенной форме движения материи соответствует своя пространственно-временная структура. Так в философию и естествознание были введены нефизические типы пространства и времени.

Обо всем этом мы и поговорим в данной работе.


1. Пространство и время в классической физике


1.1. Основные представления о пространстве и времени в свете механической картины мира. В конце XVII века на основе трех законов динамики и закона Всемирного тяготения сформировалась механическая картина мира. Основными ее положениями являются .

1. Мир состоит из атомов, имеющих определенную массу для ка­ждого элемента.

2. Любое движение является механическим, его надо рассматри­вать в определенной системе отсчета.

3. Любое движение материи происходит в пространстве и вре­мени, которые абсолютны и не зависят от свойств и взаимодействия материальных объектов.

4. Взаи­модействие между телами происходит мгновенно, без по­средника, т.е. осуществляется принцип дальнодействия.

5. Зная начальные координаты всех тел и силы, действующие на них, имеется возможность одно­значно предсказать дальнейшее пове­дение этих тел - механический детерминизм.

Таким образом, пространство и время представляют собой арену, на которой разворачиваются все материальные процессы, причем само пространство и время никоим образом нельзя изменить. В «Математических началах натуральной философии» (1687 год) И. Ньютон писал, что пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, оно всегда остается одинаковым и неподвижным. Время, по словам И. Ньютона, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Эти представления, на первый взгляд, очень хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Математически это выражается в преобразованиях Галилея, которые постулируют относительность движения и равноправность любой инерциальной (т.е. движущейся равномерно и прямолинейно) системы отсчета. Они отражают общие представления о пространстве и времени классической физики, согласно которым пространство и время абсолютны, не связаны друг с другом и не зависят от наличия и движения материи.

Здесь вроде бы все логично и не требует пространного объяснения. Но внимательный анализ показывает, что уже в самих преобразованиях Галилея скрыто противоречие.

1.2. Проблемы абсолютного пространства. Понятие эфира. Вдумаемся еще раз в суть преобразований Галилея. Они подчеркивают абсолютность пространства и времени и в то же время утверждают, что скорость тел относительна, то есть зависит от выбора системы отсчета. Причем этот выбор произволен, так как из преобразований следует, что все инерциальные системы равноправны и все механические явления происходят в них одинаково.

Но если пространство абсолютно, то должна существовать выделенная система отсчета, покоящаяся относительно этого пространства. А это противоречит преобразованиям Галилея. Получается замкнутый круг: если предположить, что пространство абсолютно, мы приходим к выводу, что не может быть равноправности инерциальных систем отсчета. Если же предположить равноправность инерциальных систем отсчета, мы приходим к невозможности абсолютного пространства. А оба эти положения следуют из преобразований Галилея.

Кроме того, в механической картине мира оставался открытым вопрос о причине взаимодействия тел. Принцип дальнодействия не вскрывал механизма, с помощью которого тела воздействуют друг на друга.

С развитием науки появились новые данные, которые не укладывались в механику Ньютона и по-новому объясняли взаимодействие удаленных друг от друга объектов. На смену принципу дальнодействия пришел принцип близкодействия: тело создает в окружающем его пространстве некоторое напряжение, которое в виде волн передается от точки к точке и, в конечном итоге, воздействует на другое тело. То есть, пространство выступает в роли посредника при передаче информации от одного тела к другому. Но само пространство по-прежнему остается неизменным и лишь служит для передачи возмущения. Причем – и это очень важно – возмущение передается со строго определенной скоростью, со скоростью света в вакууме.

Но физики считали, что волны не могут распространяться в пустоте, поэтому выдвинули гипотезу, что пространство должно быть заполнено какой-либо средой. Так на арену физики вышел эфир, играющий роль посредника при взаимодействии тел и в то же время - роль абсолютной системы отсчета, т. е. абсолютного пространства, по отношению к кото­рому можно определить абсолютную скорость тел.

Эфир должен был обладать поистине удивительными свойствами. С открытием поперечности электромагнитных волн пришли к выводу, что такая среда должна быть твердой, потому что поперечные волны распро­страняются только в твердых телах. При этом эфир должен быть легко проницаем для материальных объектов, поскольку их движение никак не замедляется, что показывают опытные данные.

Было предложено несколько вариантов поведения эфира: он не увле­кается движущимися телами, увлекается частично, увлекается полно­стью. Если предположить, что эфир может двигаться вслед за материаль­ными объектами, то идея абсолютности пространства терпит поражение, ибо тогда состояние пространства будет зависеть от движения материи. Если же предположить, что эфир неподвижен, то, найдя разность между скоростью света в эфире и скоростью света в данной системе отсчета, мы могли бы определить скорость движения этой сис­темы относительно эфира, то есть ее абсолютную скорость в абсолютном пространстве.

Для предпочтения того или иного варианта поведения эфира требовался специальный эксперимент.


1.3. Опыт Майкельсона и его результаты. В 1887 году эксперимент по определению абсолютной скорости Земли был поставлен американскими учеными А.А. Майкельсоном (1852-1931). Суть опыта состояла в следующем. Поскольку Земля движется по своей орбите с достаточно большой скоростью, а эфир покоится в “абсолютном пространстве”, то движение Земли должно вызывать заметный “эфирный ветер”, который можно было бы обнаружить с по­мощью тонких оптических приборов”. “Эфирный ветер” должен был проявляться в различии скорости света по разным направлениям наподобие того, как звук по ветру распространяется быстрее, чем против ветра.

Не описывая экспериментальную установку и физические тонкости данного опыта, приведем конечный результат. После долгих тщательных поисков и все более возрастающей точности эксперимента ученые при­шли к однозначному, но неутешительному для них выводу: “эфирного ветра” не существует.

Это был удар по всей системе представлений об абсолютном пространстве и времени.

В 1892 году датский физик-теоретик Лоренц получил преобразования пространственно-временных координат, отличные от преобразований Галилея, которые полностью соответствовали результатам опыта Май­кельсона. Из этих преобразований следовало, что длина тела уменьшается в направлении его движения, и время в системе отсчета, связанной с движущимся телом, течет по-иному. Но природа этих фактов оставалась невыясненной.

Для объяснения таких парадоксальных явлений было выдвинуто не­сколько концепций. Среди них отметим динамическую и субъективист­скую.

Согласно динамической концепции, длина тела изменяется абсо­лютно, т. е. не связана с изменением свойств самого пространства. “При движении через эфир в результате взаимодействия составляющих тело электронов с эфиром возникают электрические силы, которые и вызы­вают сокращение. Сокращение носит абсолютный характер и вместе с тем принципиально ненаблюдаемо. Оно ни в чем себя не обнаруживает, кроме опыта Майкельсона, для объяснения которого и было специально придумано”.¹

Субъективистская концепция объясняла сокращение длины и изме­нение хода времени кажущимися эффектами, связанными с наблюдате­лем: длина тела остается неизменной, но наблюдателю в силу каких-либо причин кажется, что она изменилась. Данная концепция в еще меньшей степени, чем динамическая, претендовала на научность.


2. Пространство-время в специальной теории относительности


2.1. Необходимость пересмотра представлений о пространстве и времени. Как следует из вышесказанного, все попытки сохранить представле­ние об абсолютности пространства и времени и объяснить отрицатель­ный результат опыта Майкельсона терпели неудачу. Любая кон­цепция не давала ничего нового по сравнению с прежними представле­ниями и поэтому казалась надуманной, “притянутой за уши” только для того, чтобы спасти представление об эфире. Требовался неординарный революционный подход к объяснению отсутствия “эфирного ветра”.

Ни у кого не вызывает сомнения, что скорость тела различна в раз­личных системах отсчета. Бессмыслен, например, вопрос: “Тело дви­жется или покоится?” - если не указано, относительно чего рассматрива­ется движение. Так почему бы не предположить, что длина не есть характеристика тела самого по себе, как считала классическая физика, она выражает отношение тела к системе отсчета и имеет смысл лишь в связи с той или иной системой отсчета. Временной промежуток не есть свойство событий само по себе, а опять-таки выражает их отношение к системе отсчета и только в ней имеет смысл. Причем, эта зависимость становится сколь-нибудь заметной лишь при околосветных скоростях, и поэтому нам так трудно освободиться от иллюзий абсолютной длины и абсолютного времени. В 1905 году Альберт Эйнштейн смог преодолеть стереотип мышле­ния, в результате чего идея абсолютности пространства и времени ушла в историю науки.


2.2. Относительность пространства и времени. Из опыта Майкельсона следовал еще один удивительный факт. Отсутствие “эфирного ветра” тождественно по своей сути незави­симости скорости света от системы отсчета. Другими словами: скорость света постоянна в любой системе отсчета. Более того, на данный момент скорость света - единственная физическая константа, которая теоретиче­ски определяется через другие постоянные, определяющие свойства пространства.


(1)


где с - скорость света; _о - диэлектрическая проницаемость вакуума; _о - магнитная проницаемость вакуума.

Причем эта зависимость получается из уравнений Максвелла без учета какой-либо системы отсчета. Это можно рассматривать как теоре­тическое доказательство постоянства скорости света. Преобразования Лоренца, в отличие от преобразований Галилея, удовлетворяют этому условию. Если придерживаться двух вышеупомянутых концепций, то постоянство скорости света есть кажущееся явление: в первом случае создается такая иллюзия потому, что изменяется абсолютная длина тел, во втором - связана с субъективностью наблюдателя. Если же предполо­жить, что это действительный факт, что и сделал Эйнштейн в своей теории, постулировав неизменность скорости света, то мы с неизбежно­стью приходим к относительности пространства и времени.


2.3. Сокращение длины и замедление времени. Рассмотрим прозрачный лифт, движущийся вверх с околосветовой скоростью. Предположим, что на его потолке загорается лампочка, свет от которой идет к полу. Наблюдатель, находящийся внутри лифта, уви­дит, что свет проходит длину лифта за определенное время. Внешний наблюдатель заметит, что путь, который проходит свет внутри лифта, будет короче, ибо пол лифта движется сам навстречу лучу. А поскольку скорость света есть величина постоянная, то приходим к выводу, что для внешнего наблюдателя лифт в направлении движения уменьшился в размерах и время, необходимое для преодоления светом расстояния от потолка до пола, уменьшилось. А это тождественно замедлению времени для наблюдателя внутри лифта.

В данных рассуждениях под выражениями “наблюдатель внутри лифта” и “внешний наблюдатель” (используемых для наглядности) надо понимать различные системы отсчета, в противном случае мы опять вернемся к субъективистской концепции.

Таким образом, мы видим, что длина тел и промежутки времени есть величины относительные, а это и означает относительность пространства и времени.


2.4. Относительность одновременности. Можно привести еще один пример, показывающий, что время отно­сительно и зависит от движения самой системы отсчета. Предположим, что лампочка в вышеупомянутом лифте расположена точно посередине, на полу и на потолке есть еще по одной лампочке, которые загораются в тот момент, когда до них дойдет свет от средней лампочки.

Для наблюдателя внутри лифта верхняя и нижняя лампочки загорятся одновременно, так как скорость света одинакова по всем направлениям и свету необходимо пройти одинаковое расстояние. Для внешнего наблю­дателя верхняя лампочка будет “убегать” от света, а нижняя - прибли­жаться к нему. Таким образом, нижняя лампочка в неподвижной внеш­ней системе отсчета загорится раньше.

То есть события, одновременные в одной системе отсчета, происхо­дят в различные моменты времени в другой системе отсчета, причем это никоим образом не зависит от наблюдателя, а связано с движением материальных объектов и относительностью пространства и времени.

Вышеописанные мысленные эксперименты приведены для того, чтобы показать необходимость отказа от абсолютного пространства и времени и коренного пересмотра этих категорий не только в физике, но и в философии. “Специальная теория относительности Эйнштейна (1905 год) означала конец механистической картины природы. Она представ­ляет собой один из величайших переворотов в истории естествознания и одновременно торжество диалектики в основах физической науки. Эйн­штейн “снял” в диалектическом смысле механистически-метафизическое представление о времени и движении, нашедшее выражение в классиче­ских законах движения Ньютона. Теперь ученые рассматривают законы Ньютона как предельные законы для скоростей малых по сравнению со скоростью света. Метафизическое мировоззрение Ньютона, которое в свое время было необходимым и оправданным, столкнулось в ходе фи­зического прогресса с непреодолимыми трудностями. Силой своего диалектического мышления Эйнштейн преодолел эти трудности и наме­тил пути дальнейшего развития физики”.²

Однако у Эйнштейна было много противников. Не так-то легко было примириться с необычными для того времени представлениями. К тому же идеалистический взгляд, неправильное толкование выводов СТО приводили к парадоксам, которые, на первый взгляд, не могли быть разрешены наукой.

2.5. Парадоксы специальной теории относительности. Уже сокращение размеров тел и замедление хода времени в движу­щейся системе отсчета выглядели парадоксальными и неукладывающи­мися в рамки “здравого смысла”. Но эти эффекты не приводили к проти­воречиям, поэтому с этим еще можно было смириться. У противников Эйнштейна были более веские причины доказывать несостоятельность теории относительности.

Из относительности одновременности следовало, что последователь­ность событий в одной системе отсчета может быть противоположна последовательности тех же событий в другой системе отсчета. Таким образом, делался вывод, что причина и следствие могут поменяться местами, что приведет к нарушению причинно-следственных связей. Разрешение этого парадокса заключается в том, что причинно-связанные события в любой системе отсчета будут наблюдаться в одной последова­тельности. То есть, существует абсолютное прошлое и абсолютное бу­дущее. Парадокс возникает в результате экстраполяции явлений, связан­ных с независимыми событиями на все события, в том числе и причинно-связанные. Возвращаясь к мысленному опыту в лифте с тремя лампоч­ками, подчеркнем, что нельзя найти такую систему отсчета, в которой верхняя из лампочек загорелась бы раньше средней.

К более серьезным противоречиям приводит парадокс близнецов. Предположим, что на Земле живут два брата-близнеца. Один из них отправляется в космический полет с околосветной скоростью, второй остается на Земле. Из теории Эйнштейна следует, что для первого из них время будет течь медленнее, поскольку ракета движется, а Земля поко­ится. То есть, улетевший на ракете брат будет стареть медленнее. Но можно рассуждать иначе. Система отсчета, связанная с ракетой, имеет такое же право на рассмотрение, как и система отсчета, связанная с Землей. Поэтому, с точки зрения космонавта, брат, оставшийся на Земле, будет двигаться, а ракета - покоиться. Тогда брат, улетевший в путеше­ствие, будет стареть быстрее. Очевидно, что эти два положения взаимно исключают друг друга. Отсюда делался вывод, что замедление времени невозможно, и оба брата будут стареть одинаково.

Разгадка парадокса заключается в том, что для сравнения возраста близнецы должны вновь оказаться на Земле (или в любом другом месте пространства, но рядом), поэтому космонавт должен будет затормозить ракету, развернуться и вновь разогнаться. При этом его система отсчета перестанет быть инерциальной. Он будет переходить из одной ИСО в другую, и ход его часов будет изменяться таким образом, что он ока­жется моложе своего близнеца-брата, оставшегося на Земле. Парадокс возникает в результате применения СТО к неинерциальной системе отсчета, которая выходит за рамки границ применимости данной теории.


2.6. Выводы из специальной теории относительности. С созданием специальной теории относительности пространство и время перестали рассматриваться как независящие друг от друга суб­станции. Скорость света явилась связующим звеном между ними. Раз­меры тела в направлении движения сокращаются, это приводит к изме­нению хода времени. Существует единое пространство-время, нераз­рывно связанное с движением. И только некоторая комбинация про­странственно-временных координат и скорости света, называемая интер­валом между двумя событиями, остается неизменной.

Более того, пространство и время неразрывно связаны с материей. По словам самого Эйнштейна: ”Раньше считали, что, если каким-либо чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время оста­лись бы. Согласно же теории относительности, вместе с вещами исчезли бы и пространство и время”.³ Математик Минковский охаракте­ризовал это следующим образом: “ Отныне время по себе и пространство по себе должны сделаться всецело тенями и только особого рода их сочетание сохранит самостоятельность”.⁴

Таким образом, пространство и время, согласно СТО, являются отно­сительными, связанными между собой и с движением материи. При этом рассматривается неискривленное пространство, в котором выполняется геометрия Евклида.

Однако, к началу XX века уже были созданы неевклидовы геометрии Лобачевского и Римана. Оставался открытым вопрос о том, насколько они соответствуют реальности окружающего нас мира и могут ли быть в природе условия, соответствующие пространству с неевклидовой гео­метрией? На это дала ответ общая теория относительности (ОТО), соз­данная А. Эйнштейном в 1916 году.

3. Пространство-время в общей теории относительности

Специальная теория относительности не отвечала на вопрос о природе тяготения, который волновал ученых еще со времен Ньютона. Рассуждая над этой проблемой, Эйнштейн пришел к созданию общей теории относительности, которая ответила на вышепоставленный вопрос и еще глубже проникла в сущность единого пространства-времени и его связь с материальными объектами.


3.1. Искривление пространства-времени и его связь с материей. В основу ОТО ученый положил принцип эквивалентности однород­ного гравитационного поля и ускоренно движущейся системы отсчета. Никаким физическим опытом невозможно определить, движется ли сис­тема отсчета ускоренно в отдалении от массивных тел или же покоится в каком-либо поле тяжести. Исходя из этого положения, приходим к вы­воду, что пространство должно искривляться.

Рассмотрим мысленный эксперимент все с тем же прозрачным лиф­том. Пусть на этот раз свет движется перпендикулярно скорости движе­ния лифта и проходит его поперек. Если лифт движется ускоренно, то относительно его стенок свет будет двигаться по параболе. Если же предположить, что лифт покоится в гравитационном поле, то под дейст­вием силы тяжести траектория луча будет искривляться таким же обра­зом. А поскольку свет всегда выбирает наикратчайший путь, то можно сделать вывод, что прямая линия превратилась в ветвь параболы; дру­гими словами - пространство в поле тяжести искривилось.

Но поле тяжести создается материальными телами. Таким образом, приходим к выводу, что материя искривляет пространство, в силу чего должен изменяться и ход времени. Мы еще раз убеждаемся в неразрыв­ной связи пространства-времени с материальными объектами.

Искривленное пространство можно представить себе по аналогии с искривленной плоскостью в виде части сферы только в трех измерениях, в то время как поверхность сферы двумерная. Прямыми наблюдениями искривленное пространство увидеть нельзя (для этого понадобилось бы выйти в четырехмерное пространство), но косвенные наблюдения под­тверждают это искривление.


3.2. Черные дыры - экзотические объекты Вселенной. Предположим, что гравитационное поле все больше и больше усили­вается, траектория луча все больше и больше искривляется. В конце концов линия движения света превратится в окружность, то есть про­странство замкнется само на себя. Так по теории Эйнштейна возникает черная дыра, которая для внешнего наблюдателя становится невидимой, так как даже свет не может вырваться из ее поля тяготения, а быстрее света никакой материальный объект двигаться не может.

Согласно ОТО, для образования черных дыр необходимы массивные тела, которые могут возникать в результате эволюции звезд. Эти экзоти­ческие объекты, вокруг которых разгорелись и до сих пор не утихают ожесточенные споры, можно назвать дырами в пространстве-времени, ибо в их внутренних частях (если, конечно, они существуют) само поня­тие этих категорий теряет привычный смысл. Согласно современным теориям, в черных дырах пространство-время должно распадаться на отдельные кванты и обладать такими свойствами, которые нынешняя наука не в состоянии даже представить.


3.3. Физика и геометрия. С созданием общей теории относительности геометрия из чисто теоретической науки преврати­лась в практическую, более того, можно сказать - экспериментальную. На основе астрономических наблюдений появилась принципиальная возможность выяснить, обладает ли в целом наше пространство кривиз­ной, т. е. определить, замкнуто ли наше пространство на себя или явля­ется открытым. Если кривизна пространства положительна, то оно замк­нуто, и процесс расширения, обнаруженный Хабблом в 1929 году, сме­нится сжатием, и наша Метагалактика⁵ превратится в точку; если же кривизна пространства отрицательна или равна нулю, то оно открыто, и расширение будет продолжаться неограниченно.

Таким образом, проблема пространства-времени напрямую связана с вопросом мироздания. Что будет после того, как Метагалактика со­жмется в точку, что было до того, как она начала расширяться? Под точкой в данном случае необходимо понимать особое, так называемое сингулярное состояние материи. Если взглянуть на данную проблему с идеалистических позиций, то можно прийти к выводу, что наш мир был создан каким-то разумом и его ждет конец. Материалистический подход приходит к выводу, что вопрос о том, что было до начала расширения Метагалактики и что будет после ее сжатия, сам по себе некорректен, ибо в сингулярном состоянии не существует пространства-времени в нашем понимании. Как и в черных дырах, оно представляет собой про­странственно-временную “пену”, состоящую из квантов. В таком со­стоянии сами понятия прошлого и будущего, “раньше” и “позже” теряют привычный смысл, а может быть и вообще не применимы.

Так что же нас ожидает в будущем, какова кривизна пространства в нашей Метагалактике? Современная наука еще не дала однозначного ответа на этот вопрос. Несмотря на принципиальную возможность изме­рить кривизну нашего мира, на данном этапе развития науки это техни­чески неосуществимо.


3.4. Общая теория относительности и релятивистская теория гравитации. Выше уже говорилось о том, что луч света в поле тяготения распространяется не по прямой, и можно сделать вывод, что пространство вблизи тяготеющих тел искривляется.

По Эйнштейну поле тяготения эквивалентно искривлению пространства-времени. Таким образом, снимается вопрос о природе гравитационных сил. Прослеживается следующая цепочка: материальные объекты изменяют пространственно-временную метрику, что тождественно созданию поля тяжести, которое, в свою очередь, влияет на другие материальные объекты.

Так на основе ОТО было дано объяснение гравитационного взаимодействия тел, как проявления геометрической структуры пространства- времени на основе его взаимосвязи с распределением и движением материи.

В 80-х годах XX века А.А. Логуновым⁶ была разработана альтернативная ОТО релятивистская теория гравитации (РТГ), которая по-новому подходит к проблеме искривления пространства-времени и природе тяготения. Согласно РТГ, пространство-время является плоским, а гравитация проявляется в результате обмена материальными телами, переносчиками гравитационного взаимодействия – гравитонами.

В чем отличие этих двух теорий?

В ОТО поле тяготения является не физическим объектом, а определенной метрикой пространства-времени. При таком подходе нет необходимости в переносчиках гравитационного взаимодействия, ибо тела действуют друг на друга, искривляя пространство-время, которое уже само играет роль посредника. В РТГ гравитационное поле является физической реальностью, существует вне зависимости от свойств пространства-времени и определяется наличием тяготеющей массы. В таком случае для передачи взаимодействия необходимы гравитоны.

В ОТО вопрос о будущем Метагалактики остается открытым. В РТГ пространство неискривленное и не может быть замкнутым на себя, то есть расширение Метагалактики будет необратимо. Кроме того, теория А.А. Логунова не допускает существования таких экзотических объектов, как черные дыры.

В ОТО в основу рассуждений принимается прямолинейность движения луча света, что приводит к искривлению пространства-времени, то есть к его неоднородности. А это, в свою очередь, ведет к невыполнению законов сохранения энергии и импульса. В РТГ за основу берутся законы сохранения, как наиболее фундаментальные законы природы. Отсюда следует, что лучи света не обязательно движутся по прямой, хотя это и противоречит «здравому смыслу». Еще в в 60-х годах ХХ века В.А. Фок писал: «Что касается соображения, что прямая как луч света, более непосредственно наблюдаема, то оно не имеет никакого значения: в определениях решающим является не непосредственная наблюдаемость, а соответствие природе, хотя бы это соответствие и устанавливалось путем косвенных умозаключений».⁷

На вопрос о том, какая из теорий в большей степени соответствует реальности, ответит будущее.

В пользу ОТО выступают опытные подтверждения теории в слабых гравитационных полях, отсутствие гравитонов (хотя не исключено, что они будут обнаружены). В пользу РТГ – бесконечности в сингулярном состоянии, несохранение энергии, импульса и момента количества движения, которые следуют из ОТО, а в теории Логунова отсутствуют.

Однако, ряд ученых предпочитают даже отказаться от законов сохранения, чтобы преодолеть противоречия ОТО. В относительности сохранения энергии, например, они видят обогащение наших знаний о диалектичности нашего мира. А то, что величина, которая считалась сохраняющейся, не является таковой, говорит лишь о том, что обнаружились границы применимости закона сохранения энергии. Но может быть все таки стоит говорить о границах применимости ОТО, а не законов сохранения?

Вполне возможно, что РТГ более общая теория, которая пойдет дальше ОТО в объяснении природы, превратив теорию Эйнштейна в частный случай релятивистской теории гравитации, реализующийся в слабых гравитационных полях. А.А. Логунов подчеркивает, что формула Эйнштейна является следствием РТГ.

К тому же необходимо отметить, что сам принцип эквивалентности однородного гравитационного поля и ускоренно движущейся системы отсчета, являющийся фундаментом ОТО, применим только в слабых гравитационных полях. Ибо, чем сильнее поле, тем в меньшей степени оно претендует на однородность, так как создается шарообразными, а не плоскими объектами. И имеется принципиальная возможность обнаружить различие сильного гравитационного поля и ускоренно движущейся системы отсчета с помощью физических экспериментов. Таким образом, принцип относительности Эйнштейна в сильных гравитационных полях не применим. Этот факт является дополнительным аргументом в пользу РТГ.

4. Свойства физического пространства-времени


4.1. Размерность пространства-времени. Почему пространство Метагалактики имеет именно три измерения, ведь это одна из множества возможностей? К тому же, может показаться, что природа ограниченно подошла к формированию мира, дав телам возможность двигаться только вдоль трех независимых друг от друга направлениях. Ведь чем больше свободы действий, тем больше разнообразия может наблюдаться. Однако, более внимательный взгляд опровергает это утверждение.

Дело в том, что размерность пространства определяет силу взаимодействия частиц: будь то гравитационные силы, обусловленные массой, или электромагнитные – обусловленные электрическими зарядами. Плотность силовых линий, а значит и напряженность поля в пространстве обратно пропорциональны расстоянию r в степени N-1, от создающего их тела, где N - размерность пространства. Следовательно, сила взаимодействия двух тел

(2)


где a – постоянный коэффициент пропорциональности.

Отсюда следует, что в двумерном пространстве сила притяжения настолько велика, что в нем не могут существовать свободно двигающиеся тела, системы будут детерминированно связанными. Если же N>3, то ценробежная сила, не зависящая от размерности пространства, превысит силу притяжения, в результате чего любая связанная система почти сразу же распадается. В таких пространствах не может быть устойчивых структур: атомов, планетных систем, галактик.

Таким образом, приходим к выводу, что только в трехмерном пространстве могут существовать связанные системы и подходящие условия для возникновения разума. В пространствах с другой размерностью мы просто не смогли бы появиться.

Время, в отличие от пространства, имеет одно измерение. То есть, достаточно одной координаты, чтобы указать, в какой момент времени произошло то или иное событие. Это вполне согласуется с современными физическими теориями и не вызывает противоречий.


4.2. Необратимость времени. При обсуждении вопроса о сущности времени большой интерес вызывает его необратимость. В пространстве мы можем неоднократно возвращаться в исходную точку, во времени – никогда.

Необратимость времени обусловлена, согласно представлениям И.Д. Новикова, тремя причинами: термодинамическими, космологическими и психологическими. Первая из них связана со вторым началом термодинамики, согласно которому любые события в замкнутой системе происходят с увеличением беспорядка. Вторая связана с расширением Метагалактики. Третья – с особенностями восприятия: любой человек помнит свое прошлое, но не знает своего будущего. Но именно здесь и начинают появляться парадоксы.

Во-первых, второй закон термодинамики нельзя распространять на всю Вселенную, ибо наличие гравитационного поля делает ее незамкнутой, и должны существовать процессы, в которых термодинамическая стрела времени противоположна обычному ходу явлений. В результате, в космических масштабах проявляются процессы самоорганизации материи и появления упорядоченных систем (галактик, планетных систем, звезд и др.). Подобные явления самоорганизации и упорядочивания материи наблюдаются и в живых системах, которые являются отрытыми и могут обмениваться энергией и информацией с окружающей средой. Таким образом, для открытых систем возможны процессы, в которых термодинамическая стрела времени направлена в обратную сторону.

Во-вторых, не исключено, что расширение Метагалактики сменится ее сжатием, тогда и космологическая стрела времени тоже изменит свое направление.

В-третьих, в последние годы исследования психологов показали, что психика человека гораздо богаче, чем думали до сих пор, и есть достоверные факты, которые подтверждают, что во времени возможны перемещения сознания не только в прошлое, но и в будущее. С этим очень трудно согласиться, но теоретические разработки физиков, в первую очередь американского учетного Кип Торна, показали, что машина времени принципиально может быть создана. В связи с этим возникает проблема причинности. Ведь может так случиться, что, вернувшись из будущего в свое прошлое, какой-либо человек убьет сам себя. Конечно, это абсурд.

Но есть и другая возможность: путешествовать в прошлое только сознанием, не вмешиваясь в свершившиеся физические события (хотя может быть возможны какие-то информационные изменения, которые могут изменить и настоящее, например, изменить отношение к ситуации). У каждого человека есть так называемое информационное поле, в котором заложена информация о его прошлом, а по некоторым гипотезам и о его будущем. Попадая в это поле, человек может считывать любую информацию по своему желанию. Она как бы пребывает в некотором нечто, где время вообще не имеет деления на прошлое и будущее.

Высказанные положения находят подтверждения в экспериментах отечественного физика А.Н. Козырева, который одновременно смог зафиксировать прошлое, настоящее и будущее космического объекта.

Все вышесказанное о путешествии во времени находится на грани фантастики и науки. Тем не менее, не исключено, что в скором времени будут сделаны новые открытия, которые заставят ученых по-новому взглянуть на тайны времени.


4.3. Бесконечность пространства-времени. До появления релятивистской физики бесконечность понималась как бесчисленное повторение тех или иных структур или явлений, то есть, чисто количественное накопление чего-либо без качественных изменений. Такого рода бесконечность носит название «дурной бесконечности».

С современных позиций бесконечность понимается как качественное многообразие свойств пространства и времени, когда в микроскопических масштабах на уровне элементарных частиц появляются качественно новые квантовые явления, а в мегамире возникают необычные переплетения, связанные с параллельными мирами, топологией Вселенной, дырами в пространстве-времени.


5. Пространство-время и топология Вселенной


5.1. Проблема скрытой массы и многомерность пространства. Астрономические наблюдения с каждым годом со все большей определенностью показывают, что в галактиках существует темная материя, которая не регистрируется никакими приборами, а проявляет себя только по гравитационному воздействию на другие объекты. Это дало ученым повод предположить, что Вселенная состоит из двух наложенных один на другой прозрачных друг для друга миров. Параллельный мир можно представить себе, как другое пространство, совпадающее с нашим, но не взаимодействующее с ним (если не считать гравитацию), как три другие измерения, в которые мы не можем проникнуть, или же как вторую временную координату.

Теоретический анализ данного предположения показывает, что такая возможность, по всей видимости, не реализуется в природе. В противном случае химический состав Вселенной был бы другой. Кроме того, «недостаток» массы галактики можно объяснить и по-другому. Роль теневой массы могут играть темные газопылевые облака, слабосветящиеся звезды, нейтрино, если подтвердится, что они обладают ненулевой массой покоя.

Вполне возможно, что наличие скрытой массы не связано с многомерностью пространства, хотя окончательные выводы по этому вопросу делать пока рано.


5.2. «Дыры» в пространстве-времени и возможность сверхбыстрого перемещения. С рождением общей теории относительности в физику вошло понятие кривизны пространства-времени. Остановимся на одном возможном проявлении такого искривления. Космос, заполненный материальными телами, может быть изогнут настолько, что в нем образуются так называемые «червоточины», которые сравнительно коротким путем, напрямую соединяют миры, далеко отстоящие в искривленном пространстве. Если, например, взять квадратный лист бумаги и попытаться проделать путь из левого нижнего угла в правый верхний, то расстояние будет равно диагонали квадрата. Но если его согнуть и совместить вышеназванные углы, то, проходя через третье измерение, мы практически сократим путь до нуля. Нечто похожее может быть и в искривленном пространстве. Тогда «червоточина» будет представлять собой переход через четвертое. (В скобках заметим, что, проходя через такую «червоточину», есть возможность перемещаться не только в пространстве, но и во времени – это есть теоретически предсказанная машина времени Кип Торна). А что думают об этом физики?

Картина поначалу получалась не слишком обнадеживающая. Во-первых, было совершенно не ясно, как бы могла появиться «червоточина» - теория не находила механизмов ее рождения. Частям «червоточины» дали простые анатомические названия – каждый из двух входов, имеющих вид воронки, назвали «ртом», а соединяющий их канал – «глоткой». Из теоретических построений следовало, что если даже «червоточина» и появится, то она мгновенно распадется на две черных дыры. Однако, в 80-х годах XX века Кип Торн показал, что «червоточина» может быть устойчивой, если ее стенки закрепить некоторой «экзотической материей», которая должна обладать отрицательной массой.

Самым удивительным является тот факт, что такая материя была обнаружена. Это не что иное, как физический вакуум, заполняющий целиком все пространство (или же являющийся собственно пространством!?), что-то вроде неоэфира. Теория физического вакуума построена Г.Н. Шиповым⁸. В силу квантовых флуктуаций в этой среде могут рождаться так называемый виртуальные частицы, существующие очень короткий промежуток времени, что в силу соотношения неопределенностей не противоречит закону сохранения энергии. Если же в этой среде поместить две металлические пластинки, то между ними не сможет образоваться частица с длиной волны большей, чем расстояние между пластинками. Например, виртуальный радиофотон. Таким образом, по отношению к внешнему вакууму среда между пластинками будет обладать отрицательной энергией, а, следовательно, и отрицательной массой, так как, согласно Эйнштейну


(3)


Вопрос о техническом создании «дыр» в пространстве-времени, конечно же, не стоит на повестке дня. Но, может быть, природа сама позаботилась о создании таких объектов, и предсказанные ОТО черные дыры как раз и являются «червоточинами» для перемещения в другую точку пространства, а возможно, и в другую Вселенную?

На этот вопрос ответит будущее.


5.3. Гипотеза о существовании фридмонов. Заканчивая разговор о топологии Вселенной, остановимся на самой экзотической гипотезе устройства мира, согласно которой в электроне содержится целая Метагалактика.

Если пространство замкнуто на себя, то для внешнего наблюдателя оно просто не существует. Гравитационная энергия может уравновесить массу, содержащуюся в этом пространстве, таким образом, что для находящегося вне этого мира наблюдателя она будет равна нулю. Такой объект напоминает черную дыру, с той лишь разницей, что он не оказывает даже гравитационного воздействия на окружающую среду. Теория показывает, что, если такой системе сообщить заряд или вращение, то она перестанет быть замкнутой и на уровне микромира будет связана с внешней Вселенной горловиной, размеры которой очень малы. Что-то вроде вышеописанной «червоточины».

Подобные объекты получили название фридмонов. Для внешнего наблюдателя они должны выглядеть как элементарные частицы, но внутри этого микроскопического объекта может содержаться целая Вселенная.

Метагалактики оказываются как бы вложенными друг в друга и образуют замысловатую структуру. Вообразить ее себе очень сложно, тем не менее, по мнению академика М.А. Маркова, если такая картина многоэтажной, многоярусной Вселенной не реализуется природой, это само по себе будет удивительной загадкой – уж очень естественно, без всяких дополнительных гипотез возникает эта картина в рамках теоретических построений.⁹


5.4. Пространство-время и законы сохранения. В начале ХХ века учеными гёттингенской школы была сформулирована так называемая теорема Нётер, которая утверждает, что для всякой физической системы, уравнения движения которой могут быть получены из вариационного принципа, каждому однопараметрическому непрерывному преобразованию, оставляющими вариационный функционал инвариантным, отвечает один дифференциальный закон сохранения, и, главное, позволяет явно выписать сохраняющуюся величину.¹⁰ Другими словами, если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения или наличие в системе симметрии приводит к существованию сохраняющейся для нее физической величины.

Топология Вселенной такова, что ее пространственно-временные характеристики обладают определенной симметрией. А именно, симметричность или равноправие всех точек пространства по отношению к движущейся материи означает однородность пространства, равноправие или симметричность всех направлений есть изотпропность пространства, и, наконец, отсутствие выделенных точек во временном потоке обусловливает однородность времени.

Поскольку указанные свойства пространства-времени как раз и означают определенную симметрию в структуре Вселенной, в природе, в соответствии с теоремой Нётер, должны существовать законы сохранения, связанные с этой симметрией.

Действительно, однородность времени приводит к закону сохранения энергии. Однородность пространства – к закону сохранения импульса. Изотропность пространства – к закону сохранения момента импульса.

Таким образом, из теоремы Нётер следует, что поскольку свойства пространства и времени находят свое выражение в фундаментальных законах, определяющих течение материальных процессов, пространство и время действительно являются формами существования материи.


6. Пространство-время и единая теория поля


6.1. Фундаментальные взаимодействия. Со времен построения общей теории относительности ученые предпринимают попытки объяснить природу гравитации и связать ее с другими фундаментальными взаимодействиями, построить единую теорию поля. В природе известно четыре типа фундаментальных взаимодействий. (Таблица 1).


Таблица 1. Фундаментальные типы взаимодействий в природе.

Взаимодействие	Относительная интенсивность	Радиус действия
Гравитационное	10-38	бесконечность
Слабое	10-10	10-18 м
Электромагнитное	10-2	бесконечность
Сильное (ядерное)	1	10-15 м