Пространство и время в физике

Министерство науки, высшей школы и технической политики

Российской федерации

Саратовский ордена трудового красного знамени государственный

ниверситет им. Н. Г. Чернышевского

РЕФЕРАТ ПО ФИЛОСОФИИ

соискателя звания к.ф.-м.н.

инженера кафедры физики твёрдого тела

Бабаяна Андрея Владимировича.

Тема: Пространство и время в физике.

г.Саратов - 1994 г.

СОДЕРЖАНИЕ

лист

ВВЕДЕНИЕ 2

1. Развитие пространственно-временных представлений

в классической механике 3

2. Пространство и время в теории относительности

Альберта Эйнштейн 8

2.1. Специальная теория относительности 8

2.2. Пространство и время в общей теории

относительности и релятивистской

космологии 10

3. Пространство и время в физике микромир 15

3.1. Пространственно-временные представления

квантовой механики 15

3.2. Прерывность и непрерывность пространства и

времени в физике микромир 18

3.3. Проблема макроскопичности пространства и

времени в микромире 20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23

ЛИТЕРАТУР 24

ВВЕДЕНИЕ.

Диалектический материализма исходита из того, что "в мире

нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не

может двигаться иначе, как ва пространстве иа во времени"(*).

Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными

формами существования материи. Классическая физика

рассматривал пространственно - временной континуум как

универсальную аренуа динамики физических объектов. Однако

развитие неклассической физики ( физики элементарныха частиц,

квантовой физикиа и др. )а выдвинуло новые представления о

пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно

связаны между собой. Возникли разные концепции: согласно одним,

ва мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного

пространства, а физические объекты являются только проявлениями

этого пространства. Согласно другим, пространство и время

присущи лишь макроскопическим объектам.

Кака видно, современная физик настолько разрослась и

потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо

противоположные утверждения о природе и статусе пространств и

времени. Этот факт требуета тщательного исследования, така кака

можета показаться, что представления современной физики

противоречат фундаментальным положениям диалектического

материализма.

Правда, следует отметить, что ва современной физике речь

идет о пространстве и времени как о физических понятиях, как о

конкретных математических структурах, наделенных

соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациямиа

в рамках оределённых теорий, и что выяснение макроскопичности

подобныха структура не имеета прямого отношения к положению

диалектического материализма об ниверсальности пространств и

времени, так как в этом речь идет же о философских категориях.

Начинать исследование целесообразно с представлений

нтичной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития

пространственно - временных представлений вплоть до наших дней.

─────────

(*) Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181.

1. РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННЫХ

ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ.

Ва анализе античныха доктрина о пространстве иа времени

остановимся на двух:а атомизме Демокрита и системе Аристотеля.

Атомистическая доктрин был развит материалистами

Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этойа доктрины,

всёа природноеа многообразие состоита иза мельчайшиха частичек

материи (а атомова ), которые двигаются, сталкиваются и

сочетаются ва пустом пространстве. Атомы ( бытие ) и пустот (

небытие ) являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не

уничтожаются, иха вечность проистекает из безначальности

времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время.

Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.

Сторонники этой концепцииа полагали, что атомы физически

неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты. Множество

томов, которые анеа разделяются пустотой, превращаются в одина

большой атом, исчерпывающий собой мир.

Сам же концепция был основан на атомах, которые в

сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира. В

основе этиха атомова лежата амеры ( пространственный минимум

материи ). Отсутствие у амерова частей служит критериема

математической неделимости. Атомы не распадаются н амеры,

последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадаета с

представлениями современной физики о кварках.

Характеризуя системуа Демокрит кака теотию структурных

уровней материиа -а физического (а атомы и пустот ) и

математического ( амеры ), мы сталкиваемся с двумя

пространствами: непрерывноеа афизическое пространство как

вместилище и математическое пространство, основанное на амерах

как масштабных единицах протяжения материи.

В соответствии c атомистической концепцией пространств

Демокрита решала вопросы о природеа времени и движения. В

дальнейшем они были развиты Эпикурома ва систему. Эпикура

рассмотривал свойств механического движения исходя из

дискретного характер пространств и времени. Например,

свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся са

одинаковой скоростью. Н математическом ровне суть изотахии

состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один

"атом" пространства за один "атом" времени.

Таким образом, древнегреческие атомисты различали два типа

пространств иа времени. В их представлениях были реализованы

субстанциальная и атрибутивная концепции.

Аристотель начинает анализ с общего авопрос о

существовании времени, затема трансформируета его ва вопрос о

существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени

ведётся Аристотелема же н физическома уровне, где основноеа

внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель

показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но

оно не есть и само движение.

Ва такой модели времени реализована реляционная концепция.

Измерить время и выбрать единицы его измерения можно с помощью

любого периодического движения, но, для того чтобы полученная

величина была универсальной, необходимо использовать движение с

максимальной скоростью. Ва современной физикеа это скорость

света, в античной и средневековой философии - скорость движения

небесной сферы.

Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего

отношения предметова материального мира, оно понимается как

объективная категория, как свойство природных вещей.

Механик Аристотеля функционировал лишь в его модели

мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но

это лишь один из ровней космос Аристотеля. Его

космологическая модель функционировала в конечнома неоднородном

пространстве, центр которого совпадал с центрома Земли. Космоса

был разделен н земной и небесный ровни. Земной состоита из

четырёх стихий -а земли, воды, воздух и огня; небесный -а из

эфирныха тел, пребывающиха ва бесконечнома круговома движении.

Эт модель просуществовала около двух тысячелетий.

Однако ва системе Аристотеля были и другие положения,

которые оказались более жизнеспособными и во многом определили

развитие наукиа вплоть до настоящего времени. Речь идёт о

логическом чении Аристотеля н основеа которого были

разработаны первыеа научные теории, ва частности геометрия

Евклида.

Ва геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами

встечаются иа постулаты, что свойственно большеа физике, чема

рифметике. Ва постулатаха сформулированы теа задачи, которые

считались решёнными. Ва такома подходеа представлен модель

теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая систем и

эмпирический базис связываются операционными правилами.

Геометрия Евклида является первой логической системойа понятий,

трактующиха поведениеа каких-то природныха объектов. Огромной

заслугой Евклид является выбора ва качестве объектова теории

твёрдого тела и световых лучей.

Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины

мир как в эмпирическом, так и в теоретико-логическом плане. С

помощью телескоп он наглядно показал насколько глубоки были

революционные представления Н. Коперника, который развила

гелиоцентрическую модель мира. Первыма шагома развития теории

Коперника можно считать открытия И.Кеплера:

1. Каждая планет движется по эллипсу, ва одном из фокусов

которого находится Солнце.

2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты,

изменяется пропорционально времени.

3. Квадраты времён обращения планет вокруг Солнца относятся как

кубы их средних расстояний от Солнца.

Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различные сочетания

концепций пространства и инерции: у Галилея признаётся пустое

пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошёл до

идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое

пространство, и только Ньютона объединил пустое пространство и

прямолинейное инерциальное движение.

Для Декарт не характерена осознанный иа систематический

учёта относительности движения. Его представления ограничены

рамками геометризации физических объектов, ему чужд

ньютоновская трактовк массы как инерциального сопротивления

изменению. Для Ньютон жеа характерна динамическая трактовка

массы, и ва его системе это понятие сыграло основопологающую

роль. Тело сохраняета для Декарта состояние движения или покоя,

ибо это требуется неизменностью божества. То же самое

достоверно для Ньютона вследствие массы тела.

Понятия пространств и времениа вводятся Ньютонома на

начальнома ровнеа изложения, затем получают своё физическое

содержание с помощью аксиом через законы движения. Однако они

предшествуюта аксиомам, така как служат словием для реализацииа

ксиом:а законы движения классической механикиа справедливы

ва инерциальныха системаха отсчёта, которыеа определяются кака

системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному

пространству и времени. а Ньютона абсолютное пространство и

время являются ареной движения физических объектов.

Послеа выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно

развиваться, причём этот процесс происходила н основе

механистического подхода. Однако, вскоре возникли разногласия

между механикой и оптикой, которая не кладывалась в

классические представления о движении тел.

После того, как физики пришли к выводу о волновой природе

свет возникло понятие эфир - среды ва которойа свет

распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена

как источник вторичныха волн, и можно было объяснить огромную

скорость света огромной твёрдостью и пругостью частиц эфира.а

Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского

абсолютного пространства. Но это ашло ва разрез с основными

положениями доктрины Ньютона о пространстве.

Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось,

что скорость свет конечна и равн примерно 300' км/с. В

1728а году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе

этиха открытийа было становлено, что скорость света не зависита

от движения источника и/или приёмника.

О.Френель показал, что эфира может частично влекаться

движущимися телами, однако опыта А.Майкельсон (1881а г.) а

полностью это опроверг. Такима образом возникл необъяснимая

несогласованность, оптическиеа явления всёа хужеа сводились к

механике. Но окончательно механистическую картину мир

подорвало открытие Фарадея - Максвелла: света оказался

разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные

экспериментальные законы нашли отражение в системе равнений

Максвелла, которые описывают принципиально новые

закономерности. Ареной этих законова является всё пространство,

не одни точки, в которыха находится вещество или заряды, кака

это принимается для механических законов.

Так возникл электромагнитная теория материи. Физики

пришли к выводу о существовании дискретных элементарных

объектова ва рамках электромагнитной картины мира (электронов).

Основные достижения ва области исследования электрических и

оптическиха явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца.

Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашёл выход,

который спасала абсолютное пространство и время классической

механики, также объясняла результат опыта Майкельсона, правда

ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и

ввести свои собственные, основанные н неинвариантности

времени. t'=t-(vx/cд), где v - скорость движения системы

относительно эфира, х - координат той точки в движущейся

системе, в которой производится измерение времени. Время t' он

назвал "локальным временем". На основе этой теории виден эффект

изменения размеров тела L2/L1=1+(vд/2cд). Сама Лоренца объяснил

это опираясь н свою электроннуюа теорию:а тел испытывают

сокращение вследствие сплющивания электронов.

Терия Лоренц исчерпала возможности классической физики.

Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных

концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо

выделенныха система отсчёта, отказ ота абсолютного движения,

ревизии концепции абсолютного пространства и времени. Это было

сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна.

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА.

2.1. Специальная теория относительности.

Ва теории относительности Эйнштейн вопрос о свойствах и

структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого

эфира. Отрицательные результаты многих экспериментова по

обнаружению эфир нашли естественное объяснениеа ва теории

относительности - эфир не существует. Отрицание существования

эфир иа принятие постулат о постоянстве и предельности

скорости света легли ва основу теории относительности, которая

выступает как синтез механики и электродинамики.

Принципа относительности и принципа постоянства скорости

свет позволилиа Эйнштейну перейти ота теории Максвелл для

покоящихся тела к непротиворечивой электродинамикеа движущихся

тел. Далее Эйнштейна рассматриваета относительность длина и

промежуткова времени, что приводита его к выводу о том, что а

понятие одновременности лишено смысла: " Дв события,

одновременные при наблюдении из одной координатной системы, же

не воспринимаются как одновременные при рассмотренииа иза

системы, движущейся относительно данной ". Возникает

необходимость развить теорию преобразования координат и времени

от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно

движущейся относительно первой. Эйнштейн пришел к формулировке

преобразований Лоренца:

аx-vt t-vx/cд

x'=─────────а, y'=y, z'=z, t'=──────────,

√1-vд/cд √1-vд/cд

где x, y, z, t - координаты в одной системе, x', y', z', t' - в

другой.

Иза этиха преобразований вытекает аотрицание неизменности

протяжённости иа длительности, величин которыха зависита от

движения системы отсчёта:

dt0

l=l0√1-vд/cд, dt=──────────

√1-vд/cд

Ва специальной теории относительности функционирует новый закон

сложения скоростей, из которого вытекаета невозможность

превышения скорости света.

Коренныма отличиема специальной теории относительности от

предшествующех теорий является признание пространств и

времени ва качестве внутренниха элементова движения материи,

структура которых зависита от природы самого движения, является

его функцией. Ва подходе Эйнштейн преобразования Лоренца

оказываются связаннымиа са новыми свойствамиа пространства и

времени: са относительностью длины и временного промежутка, са

равноправностью пространств и времени, c инвариантностью

пространственно - временного интервала.

Важный вклад в понятие "равноправность" внёс Г.Минковский.

Она показала органическую взаимосвязь пространства и времени,

которые оказались компонентами единого четырёхмерного

континуума. Разделение на пространство и время не имеет смысла.

Пространство и время в специальной теории относительности

трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однако было бы

ошибочныма представлять пространственно - временную структуру

новой теории как проявление одной лишь концепции

относительности. Введение Минковским четырёхмерного формализма

помогло выявить аспекты "абсолютного мира", заданного ва

пространственно - временном континууме.

В теории относительности, как и ва классической механике,

существуют два типа пространств и времени, которые реализуюта

субстанциальную и атрибутивную концепции. Ва классической

механике абсолютныеа пространство и время выступали в качестве

структуры мир на теоретическома ровне. В специальной теории

относительности аналогичным статусом обладает единое

четырёхмерное пространство - время.

Перехода от классической механикиа к специальной теории

относительности можно представить так:а 1) н теоретическом

уровне -а это переход ота абсолютных и субстанциальных

пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому

пространству - времени, 2) н эмпирическом ровне - переход от

относительных и экстенсионныха пространства и времени Ньютона к

реляционному пространству и времени Эйнштейна.

Однако, когд Эйнштейн пытался расширить концепцию

относительности н класс явлений, происходящих в

неинерциальных системах отсчёта, это привело к созданию новой

теории гравитации, к развитию релятивистскойа космологии и т.д.

Он был вынуждена прибегнуть к помощи иного метод построения

физических теорий, в котором первичным выступаета теоретический

спект.

Новая теория - общая теория относительности - строилась

путёма построения обобщённого пространств иа переход от

теоретической структуры исходной теории - специальной теории

относительности - ка теоретической структуре новой, обобщённой

теории с последующей её эмпирической интерпретацией. Далее мы

рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей

теории относительности.

2.2. Пространство и время в общей теории

относительности и в релятивистской космологии.

Одной из причин создания общей теории относительности было

желание Эйнштейн избавить физику ота необходимости введения

инерциальной системы отсчёта. Создание новой теории началось с

пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине

Фарадея -а Максвелл и специальнойа теории относительности.

Эйнштейн акцентировал внимание на одном важнома пункте, который

остался незатронутым. Речь идет о следующем положении

специальной теории относительности:а "...двум выбранным

материальным точкам покоящегося тел всегда соответствует

некоторый отрезока определённой длины, независимо кака от

положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным

показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой

системы координат, всегд соответствует интервала времени

определённой величины, независимо от места и времени".

Следует отметить, что ва общей теории относительности

находит наиболее полное воплощение представление

диалектического материализм о пространстве иа времени как

формах существования материи. Специальная теория

относительности не затрагивала проблему воздействия материи на

структуру пространства-времени, ва общей теорииа Эйнштейн

непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи,

движения, пространства и времени.

Эйнштейна исходил из известного факта о равенстве инертной

и тяжёлой масс. Он смотрел в этом равенстве исходный пункт, на

базе которого можно объяснить загадку гравитации.

Пронализировава опыт Этвеша, Эйнштейна обобщил его результат ва

принципа эквивалентности:а "а физически невозможно отличить

действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого

равноускоренным движением".

Принцип эквивалентности носит локольный характер и, вообще

говоря, не входит в структуру общей теории относительности. Он

помога сформулировать основные принципы, на котрыха базируется

новая теория:а гипотезы о геометрической природе гравитации, о

взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме них

Эйнштейн выдвинула ряда матаматических агипотез, без которых

невозможно было бы вывести гравитационные равнения:

пространство четырёхмерно, его структур опрелеляется

симметричным метрическима атензором, равнения должны быть

инвариантными относительно группы преобразований координат.

Ва работе "Относительность и проблем пространства"а

Эйнштейн специально рассматриваета вопрос о специфике понятия

пространств ва общей теории относительности. Согласно этой

теории пространство не существует отдельно, кака нечто

противоположное "тому, что заполняета пространство"а и что

зависита ота координат. "Пустое пространство, т.е. пространство

без поля неа существует. Пространство-время существует не само

по себе, только как структурное свойство поля".

Для общей теории относительности до сиха пор актуальной

является проблем переход от теоретическиха к физическим

наблюдаемым величинам. Теория предсказал иа объяснила три

общелелятивистских эффекта: были предсказаны иа вычислены

конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было

педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёзд при их

прохождении вблизи Солнца, была предсказан и обнаружен эффекта

красного гравитационного смещения частоты спектральных линий.

Рассмотрима далее дв направления, вытекающиха из общей

теории относительности: геометризацию гравитации и

релятивистскую космологию, т.к. са нимиа связано дальнейшее

развитие пространственно-временныха представленийа современной

физики.

Геометризация гравитацииа явилась первыма шагом на пути

создания единой теории поля. Первую попытку геометризацииа поля

предприняв Г.Вейль. Он осуществлен за рамками римановской

геометрии. Однако данное направление не привело к спеху. Были

попытки ввести пространств более высокой размерности. чем

четырёхмерное пространственно-временное многообразие Римана:а

Калуца предложила пятимерное, Клейна -а шестимерное, Калицын -

бесконечное многообразие. Однако таким путём решить проблему не

удавалось.

Н пути пересмотра евклидовой топологии пространств -

времени строится асовременная единая теория поля - квантовая

геометродинамик Дж. Уитлера. В этой теории обобщение

представлений о пространстве достигает очень высокой степени и

вводится понятие суперпространства, как арены действия

геометродинамики. При такома подходе каждому взаимодействию

соответствует своя геометрия, и единство этих теорий

заключается ва существовании общего принципа, по которому

порожнаются данные геометрии и "расслаиваются" соответствующие

пространства.

Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается

квантовой геометродинамики итлера, то переда ней стоита ещё

более грандиозная задача - постичь Вселенную иа элементарные

частицы в их единстве и гармонии.

Доэйнштейновские представления о Вселенной можно

охарактеризовать следующима образом:а Вселенная бесконечн и

однородна в пространстве и стационарн во времени. Они были

заимствованы из механики Ньютона - это абсолютные пространство

и время, последнее по своему характеру Евклидово. Такая модель

казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые

попытки приложения к этой модели физических законов и концепций

привели к неестественным выводам.

же классическая космология требовала пересмотра некоторых

фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия. Таких

положений ва классической космологии четыре: стационарность

Вселенной, еёа однородность и изотропность, евклидовость

пространства. Однако в рамках классической космологии

преодолеть противоречия не далось.

Модель Вселенной, которая следовал иза общей теории

относительности, связан с ревизией всеха фундаментальныха

положений классической космологии. Общая теория относительности

отождествил гравитацию с искривлением четырёхмерного

пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно

несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий

пересмотр фундаментальныха положений классической космологоии:а

общая теория относительности дополняется космологическима

постулатом однородности и изотропности Вселенной.

Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к

признанию её однородности. Н основеа этого постулат ва

релятивистскую космологию вводится понятие мирового

пространства и времени. Но это неа абсолютные пространство и

время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и

изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую

кривизну. Ва применении к неевклидовуа пространству словия

однородности иа изотропности влекута постоянство кривизны, и

здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой,

отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространств и времени иметь различные

значения постояннойа кривизны подняли ва космологии вопрос

конечн Вселенная или бесконечна. В классической космологии

подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства

и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако ва

релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной

- это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу -

замкнутое ва себе неевклидово трёхмерноеа пространство. Оно

является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна

конечн ва пространстве, но бесконечн во времени. Однако

стационарность вступал в противоречие c общей теорией

относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась

либо расшириться, либо сжаться. Чтобы странить это

противоречие Эйнштейна ввёла ва равнения теории новый член

с помощью которого во Вселенную вводились новые силы,

пропорциональные расстоянию, иха можно представить как силы

притяжения и отталкивания.

Дальнейшееа развитие космологии оказалось связанным не со

статической модельюа Вселенной. Впервые нестационарная модель

была развита А. А. Фридманом. Метрические свойства пространства

оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, что Вселенная

расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929 году Э.

Хабблом, который наблюдала красное смещение спектра. Оказалось,

что скорость разбегания галактика возрастает са расстоянием и

подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L

- расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

Всвязиа са этима встаюта две важные проблемы:а проблема

расширения пространства и проблем начала времени. Существуета

гипотеза, что така называние "разбегание галактик" - наглядное

обозначение раскрытой космологией нестационарности

пространственной метрики. Таким образом, не галактики

разлетаются ва неизменнома пространстве, расширяется само

пространство.

Вторая проблема связана с представлением о начале времени.

Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t=0, когда

произошёл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбурга считает,

что "...Вселенная в прошлома находилась ва особома состоянии,

которое отвечаета началу времени, понятиеа времени до этого

начала лишено физического, да и любого другого смысла".

Ва релятивистской космологии была показана относительность

конечности иа бесконечности времени ва различныха системаха

отсчёта. Это положение особо чётко отразилось ва представлениях

о "чёрных дырах". Речь идет оба одном иза наиболее интересных

явлений современной космологии -а гравитационнома коллапсе.

С.Хокинс и Дж. Эллиса отмечают: "Расширение Вселенной во многих

отношенияха подобно коллапсу звезды, если не считать того, что

направление времени при расширении обратное".

Как "начало"а Вселенной, така и процессы в "чёрныха дырах"

связаны со сверхплотным состояниема материи. Такима свойством

обладаюта космическиеа тела после пересечения сферы Шварцшильд

(условная сфер c радиусом r = 2GM/cд, где G - гравитационная

постоянная, М - масса). Независимо от того, в каком состоянии

космический объекта пересёка соответствующую сферу Шварцшильда,

далее она стремительно переходит ва сверхплотное состояние ва

процессе гравитационного коллапса. После этого ота звезды

невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может

вырваться иза этойа сферы в окружающее пространство -а время:

звезд потухаета для далённого наблюдателя, и в пространстве

образуется "чёрная дыра".

Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире

пролегает бесконечность, т. к. такая звезд находится

з бесконечностью во времени. Таким образом, оказалось, что

пространство - время ва общей теории относительности содержита

сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть

концепцию пространственно - временного континуума как некоего

дифференцируемого "гладкого" многообразия.

Возникаета проблема, связанная с представлением о конечной

стадии гравитационного коллапса, когд вся масс звезды

спрессовывается в точку ( r -> 0 ), когд бесконечна плотность

материи, бесконечн кривизн пространства и т.д. Это вызываета

обоснованное сомнение. Дж. итлер считает, что в заключительной

стадии гравитацинного коллапс вообще не существуета

пространства - времени. С. Хокинга пишет:а "Сингулярность - это

место, где разрушается классическая концепция пространств и

времени так же, как и все известные законы физики, поскольку

все они формулируются н основе классического пространства -а

времени. Этих представлений придерживаются большинство

современных космологов.

На заключительныха стадиях гравитационного коллапса вблизи

сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они

должны играть на этом ровне доминирующую роль и могут вообще

не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области

происходята субмикроскопические флуктуацииа материи, которые и

составляют основу глубокого микромира.

Всё это свидетельствуета о том, что понять мегамир

невозможно без понимания микромира.

3. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА.

3.1. Пространственно-временные представления

квантовой механики.

Созданиеа Эйнштейном специальной теории относительности не

исчерпывает возможноси взаимодействия механики и

электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было

выявлено противоречиеа кака ва истолкованииа экспериментальных

данных, так и в теоретической согласованности этих выводов. Это

повлекло з собой рождение квантовой механики. Он положила

начало неклассической физике, открыл дорогу к познанию

микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманиюа

процессов в недрах звёзд и "начале" Вселенной.

Ва конце XIXа век физики начали исследовать, как

распределяется излучение по всему спектру частот. В тота период

физики задались также целью выяснить природу взаимосвязи

энергии излучения и температуры тела. М. Планк пытался решить

эту проблему с помощью методов классической электродинамики, но

это не привело к успеху. Попытк решить проблемуа са позиции

термодинамики столкнулась са рассогласованностью теории и

эксперимента. Планка получила формулу плотностиа излучения с

помощью интерполяции:

8а h

──────v

р = ───────────── , где

exp(──) - 1

vа -а частот излучения, Та -а температура, kа -а постоянная

Больцмана.

Полученная Планкома формул был очень содержательной,

кроме того, он включал ранее неизвестную постоянную h,

которую Планк назвал элементарным квантом действия.

Справедливость формулы Планк достигалась очень странным

для классическойа физики предположением: процесс излучения и

поглощения энергии является дискретным.

Cа работами Эйнштейн о фотонах в физикуа вошло

представление о карпускулярно -а волновома дуализме. Реальная

природ свет может быть представлен кака диалектическое

единство волны и частиц.

Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было

предложено множеств о противоречащих друг другу моделей. Выхода

была найдена Н. Борома путёма синтеза планетарной модели атома

Резерфорда и квантовой гипотезы. Он предположил, что атом может

иметь ряд стационарныха состояний приа переходе ва которые

поглащается или излучается квант энергии. Ва самома же

стационарнома состоянии атом не излучает. Однако теория Бора не

объяснял интенсивностиа и поляризации излучения. Частично с

этима далось справиться са помощь принципа соответствия Бора.

Этот принцип сводится к тому, что при описании любой

микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией,

применяемой в макромире.

Принцип соответствия сыграл важную роль в исследованиях де

Бройля. Она выяснил, что неа только световые волны обладают

дискретной структурой, но и элементарныма частоцама материи

присуща волновойа характер. Н повесткуа дня встал проблема

создания волновой механики квантовых объектов, которая ва 1929а

году был решен Э. Шредингером, акоторыйа вывел волновое

уравнение, носящее его имя.

Н. Бор вскрыл истинный смысла волнового равнения

Шредингера. Он показал, что это равнениеа описываета амплитуду

вероятности нахождения частицы в данной области пространства.

Чуть раньше (1925г.) Гейзенбергом был разработана

квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на

соотношении неопределённостей Гейзенберга: чем больше

неопределённость пространственной координаты, тем меньше

неопределённость значения импульс частицы. Аналогичное

соотношение имеет место для времени и энергии частицы.

Таким образом, ва квантовой механике был найдена

принципиальная границ применимости классическиха физических

представлений к атомным явлениям и процессам.

В квантовой физике был поставлен важная проблема о

необходимости пересмотр пространственных представлений

лапласовского детерминизма классической физики. Они оказались

лишь приближёнными понятиями и основывались на слишкома сильных

идеализациях. Квантовая физик потребовал более адекватныха

форм порядоченности событий, ва которых учитывалось бы

существование принципиальной неопределённости ва состоянии

объекта, наличие черт целостности иа индивидуальности ва

микромире, что иа выражалось в понятии ниверсального кванта

действия h.

Квантовая механик был положен в основу бурно

развивающейся физикиа элементарныха частиц, количество которых

достигает нескольких сотен, но до настоящего времениа ещёа не

создан корректная обобщающая теория. В физике элементарных

частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё

большими трудностями. Оказалось, что микромира является

многоуровневой системой, на каждом ровне которой господствуют

специфические виды взаимодействий и специфическиеа свойства

пространственно -а временныха отношений. Область доступных в

эксперименте микроскопическиха интервалова словно делится н

четыре ровня: 1)а ровень молекулярно -а атомныха явлений, 2)а

уровень релятивистскиха квантовоэлектродинамическиха процессов,

3) ровень элементарных частиц, 4)а уровень льтрамалыха

масштабов, где пространственно - временные отношения

оказываюстя несколько иными, чема ва классической физике

макромира. Ва этой областиа по-иному следуета понимать природу

пустоты - вакуум.

В квантовой электродинамике вакуума является сложной

системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов,

электронно - позитронных пара и других частиц. На этом ровне

вакуума рассматриваюта кака особый вида материи - кака поле в

состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая

электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и

время нельзя оторвать от материи, что так называемая "пустота"

- это одно из состояний материи.

Квантовая механика была применен к вакууму, и оказалось,

что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой её

плотностью. Минимум её оказался равным ровню осциллятора hv/2.

"Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны, - пишет Я.

Зельдович, - мы немедленно с жасом обнаруживаем, что все волны

вместе даюта бесконечную плотность энергии". Эта бесконечная

энергия пустого пространства таит в себе огромныеа возможности,

которые ещё предстоит освоить физике.

Продвигаясь вглубь материи, чёные перешагнули рубеж 10

см. и начали исследовать физическиеа процессы ва областиа

субатомныха пространственно -а временныха отношений. Н этом

уровне структурной организации материи определяющую роль играют

сильные взаимодействия элементарных частиц. Здесь иные

пространственно - временные понятия. Так, специфике микромир

не соответствуют обыденные представления о соотношении частиа и

целого. Ещёа более радикальныха измененийа пространственно -

временных представлений требует перехода к исследованию

процессов, характерныха для слабых взаимодействий. Поэтому на

повестку дня встаёт вопроса о нарушении пространственной и

временной чётности, т.е. правое иа левое пространственные

направления оказываются неэквивалентными.

Ва этиха словиях были предприняты различные попыткиа

принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно

направление связано с изменениема представлений о прерывности и

непрерывности пространства и времени, второе - с гипотезой о

возможной макроскопической природеа пространсв и времени.

Рассмотрим более подробно эти направления.

3.2. Прерывность и непрерывность пространства и

времени в физике микромира.

Физик микромир развивается в сложнома единстве и

взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не

только к структуре материи, но и к структуреа пространств и

времени.

После создания теории относительности и квантовой механики

учёные попытались объединить эти две фундаментальные теории.

Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое

уравнение для электрона. Была получена неожиданный вывода о

существовании антипода электрон - частицы c противоположным

электрическим зарядом. В настоящее время известно, что каждой

частице в природе соответствует античастица, это аобусловлено

фундаментальными положениями современной теории иа связано с

кардинальными свойствамиа пространств и времени ( чётность

пространства, отражение времени и т.д. ).

Исторически первойа квантовой теорией поля была квантовая

электродинамика, включающая ва себя описаниеа взамодействий

электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная

ветвь теории элементарных частиц, которая достигл высокого

уровня развития и известной завершённости. Он является

локальной теорией, ва ней функционируют заимствованные понятия

классической физики, основанные на концепции пространственно -

временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля,

точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечёта

з собойа существенные трудности, связанныеа са бесконечными

значениями некоторыха величина (а масса, собственная энергия

электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д. ).

Эти трудности чёные пытались преодалеть путём введения в

теорию понятий о дискретнома пространствеа и времени. Такой

подход намечает единственный выход иза неопределённости

бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину -а основу

томистического пространства.

Позже была построена обобщённая квантовая электродинамика,

которая также является локальной теорией, описывающей точечные

взаимодействия точечныха частиц, что приводит к существенным

трудностям. Например, наличие электромагнитного и электронно -

позитронного вакуум обуславливаета небходимость внутренней

сложности, структурности электрона. Электрон поляризует вакуум,

и флуктуацииа последнего создают вокруг электрона атмосферу иза

виртуальной электронно -а позитронной пары. При этом вполне

вероятен процесс аннигиляции исходного электрон са позитронома

пары. Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но

в другой точке пространства.

Подобная специфик объектова квантовойа электродинамики

является веским аргументом в пользу концепции пространственно -

временной дискретности. В её основе лежит идея о том, что масса

и заряд электрон находятся в разных физических полях, отличны

от массы и заряд идеализированного ( изолированного от мира )

электрона. Разность между массами оказывается бесконечной. При

оперировании этими бесконечностями иха можно выразить через

физические константы - заряда и массу реального электрона. Это

достигается путём перенормировки теории.

Что касается теории сильныха взаимодействий, то тама

процедуру перенормировки использовать не даётся. Всвязи с этим

ва физикеа микромир широкое развитиеа получило направление,

связанное са пересмотром концепции локальности. Отказа от

точечности взаимодействия микрообъектова можета осуществляться

двумя методами. При первома исходят из положения. что понятие

локального взаимодействия лишено смысла. Второй основан на

отрицании понятия точечной координаты пространства - времени,

что приводит к теории квантового пространства - времени.

Протяжённая элементарная частиц обладает сложной

динамической структурой. Подобная сложная структур

микрообъектова ставита под сомнение их элементарность. чёные

столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается

свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики

элементарного и сложного ва микромире. Элементарные частицы не

элементарны ва классическом смысле: они похожи на классические

сложные системы, но они неа являются этими системами. В

элементарных частицах сочетаются противоположные свойств

элементарного и сложного.

Отказа от представлений о точечности взаимодействия влечёт

за собой изменение наших представлений о структуре пространства

- времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению

некоторых афизиков, в микромире теряют смысл обычные временные

отношения "раньше" и "позже". В области нелокального

взаимодействия события связаны в некий "комок", ва котором они

взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.

Таково принципиальное положение дел, сложившееся ва

развитии квантовой теории поля, начиная с работа Гейзенберг и

кончая современными нелокальными и нелинейнымиа теориями, где

нарушение причинности ва микромире провозглашается ва качестве

принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени

на области "малые", где причинность нарушена, и большие, где

она выполнена, невозможно беза появления в нелокальной теорииа

новой константы размерности длины - элементарной длины. С этим

"атомом" пространства связана и элементарный момента времени (а

хронона ), и именно ва соответствующей им пространственно -

временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц.

Теория дискретного пространств -а времени продолжает

развиваться. Открытым остаётся вопрос о внутренней структуре

"атомов"а пространства и времени. Существует ли пространство и

время в "атомах"а пространства и времени?а Это одна иза версий

гипотезы о возможной макроскопичности пространства и времени,

которая будет рассмотрена ниже.

3.3. Проблема макроскопичности пространства

и времени в микромире.

В современной физике микромир возникл следующая

проблема: речь стала идти не об изменении свойств или структуры

пространства и времени, об их макроскопической природе, т.е.

о том, что их вообще возможно нет в микромире. Такая постановка

вопроса связана с созданиема квантовой механики. Что касается

сфера приложимостиа гипотезы, то еёа сторонники разошлись во

мнениях:а одниа считают, что он имеет отношение лишь к

теоретическому описаниюа объективной реальности ва квантовой

физике, другие расширили еёа ровня философского положения о

неуниверсальности пространства и времени как форм существования

движущейся материи.

В ньютоновской механике теоретическое и эмпирическое

пространство и время во многома совпадали. c развитием физики

это совпадение нарушается.

В связи ас этима возникает вопрос: должна лиа эмпирическая

структур физическойа теории выступать обязательно в форме

пространств и времени классической физики?а Гейзенберг

следующима образома описываета создавшуюся ва физике микромира

ситуацию: "Оказывается, в наших исследованиях атомных процессов

неизбежно существует своеобразное раздвоение. С однойа стороны,

вопросы, c которыми мы обращаемся к природе посредством

экспериментов, всегд формулируются ва понятияха классической

физики, ва особенности ва понятияха пространств и времени,

поскольку наш языка приспособлен к передаче только обыденного

нашего окружения и поскольку опыты мы не можем провестиа иначе,

как только во времениа и ва пространстве. Са другойа стороны,

математические выражения, пригодные для изображения

экспериментальных результатов, представляюта собой волновые

функции ва многомерных конфигурационных пространствах, не

допускающих какой-либо простой наглядной интерпретации".

Из этого положения можно сделать вывод, что пространство и

время классическойа физики являются эмпирическойа структурой

квантовой механики.

Така ва чём же суть рассматриваемой гипотезы? Эмпирическая

структур физической теории заведомо макроскопична.

Теоретическая структура при описании микромир выступаета как

пространство и время. Пространство и время можно использовать

при развитииа физическиха теорий, описывающиха другие ровни

строения материи, но это сопряжено с неоправданныма усложнением

теории, иа поэтому от них отказываются. Речь идёта о

макроскопичности пространств и времени, которые выступаюта в

качестве теоретических структур физических теорий.

В заключении рассмотрима гипотезуа о макроскопической

природе пространств и времениа с точки зрения диалектико -

материалистического учения оба иха ниверсальности. Речь едёт о а

пространстве иа времени как категорияха современной физики,

которые являются специфическими метрическими структурамиа

сосуществования данныха явлений и смены конкретных состояниий,

что предполагаета возможность различия двух соседниха точек и

двух последующих моментов. Свойства "соседства" и "следования"

являются конкретными и специфическими свойствамиа структуры,

которые могут существовать далеко не везде. С этой точки зрения

можно даже говорить о "внепространственных"а и "вневременных"а

формах существования материи. Однако, можно задать и другой

вопрос: если пространство и время оказываются неуниверсальными,

то какойа смысла нужно вкладывать ва ниха сейчас, чтобы они

попрежнему оставались ниверсальными?

С этим вопросом связано возникновение и развитие различных

модификаций гипотезы о макроскопической природе пространства и

времени. Еслиа этой гипотезе пытаются придать афилософский

статус, то это необоснованно, т.к. она носит сугубо физический

характер и не вступает в противоречие с тезисом диалектическо -

материалистической философииа о всеобщности пространств и

времени. Но ва рамкаха физической проблематики эта гипотез не

означает, что макромир обладает только соответствующей

пространственной природой, т.е. следует учитывать, что макромир

не исчерпывается классическими объектами в классическиха

пространстве иа времени, что неклассический макромира может

потребовать неклассической пространственно - временной

организации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Н этом мы завершим анализ статуса пространства и времени

в физическом познании. Связанные с этим проблемы

разрабатываются многими философами и естествоиспытателями. Уже

получены интерересные результаты и ведутся плодотворные поиски.

В последнее время наук пришл к представлению о

диалектической взаимосвязи элементов различных ровней

целостного мира, в котором элементарная частица может оказаться

полузамкнутой Вселенной, ва спецификеа человека может быть

запечетлена структура Вселенной.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Аскин Я.Ф. Проблема времени. Её физическое истолкование, М.:

Мысль,-1986.

2. Ахундов М.Д. Пространство и время ва физическома познании,

М.:Мысль,-1982.-253 с.

3. Ахундов М. Д. Проблемы прерывности и непрерывности

пространства и времени, М.:Наука,-1974.-256 с.

4. Ахундов М.Д. Концепции пространств и времени: истоки,

эволюция, перспективы, М.:Наука,-1982.- с.

5. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения

и регуляторы практической деятельности, Минск:Наука и

техника,-1989.-220 с.

6. Потёмкин В.К., Симанов А.Л. Пространство ва структуре мира,

Новосибирск:Наука,-1990.-176 с.

7. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах. Том I.

Работы по теории относительности 1905-1920, М.:Наука,-1965.700с.

Blog

Пространство и время в физике