Эволюция представлений о пространстве и времени

Эдвард О. Уилсон “Совпадения. Единство познания”

Рис.2 Большой Взрыв и расширяющаяся Вселенная (представление художника). Время на рисунке бежит вертикально. В Общей Теории Относительности В момент Большого Взрыва, разрывающего саму ткань пространственно-временного континуума, кривизна этого континуума бесконечна. На рисунке гладкая коническая поверхность соответствует расширяющемуся пространству-времени, а рваный край - разрыву пространственно-временного континуума в момент Большого Взрыва.

Появление Общей Теории Относительности возвестило эру современной космологии. В очень крупных масштабах Вселенная вокруг нас кажется однородной и изотропной. Подобное представление является самой великой реализацией коперниканского принципа: в нашей Вселенной нет ни выбранных точек, ни выбранного направления. В 1922 году, используя уравнения Эйнштейна, российский математик Александр Фридман показал, что такая Вселенная не может быть статичной. Она должна либо расширяться, либо коллапсировать. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная действительно расширяется. Этот факт, в свою очередь, подразумевает, что этот процесс должен иметь свое начало, в котором плотность гравитации и, соответственно, искривление пространства-времени должны быть бесконечно большими. Возникло понятие Большого Взрыва. Тщательные наблюдения, особенно за последние 20 лет, показали, что это событие, вероятно, имело место 14 миллиардов лет назад. С тех пор галактики движутся обособленно и среднее значение гравитации неизменно падает. Комбинируя наше знание Общей Теории Относительности с лабораторной физикой, мы можем сделать множество детальных предсказаний. Например, мы можем вычислить относительное количество легких элементов, ядра которых образовались за первые три минуты после взрыва (смотри, например, здесь). Мы можем предсказать существование и свойства первичного излучения (реликтовый микроволновый фон), которое испускалось, когда Вселенной было приблизительно 400 000 лет. И мы можем говорить, что первые галактики сформировались, когда Вселенной был миллиард лет. Удивительный диапазон времен и разнообразие явлений!

Кроме того, Общая Теория Относительности изменила философский подход к вопросу о Начале. До 1915 года на эту тему можно было спорить, когда Эммануил Кант утверждал, что Вселенная, возможно, и не имела конечного начала. Тогда можно было задать вопрос: Что там было прежде? Но этот вопрос неявно предполагает, что пространство и время существовали всегда, и Вселенная возникла вместе с материей. В Общей Теории Относительности такой вопрос задавать бессмысленно, поскольку пространство-время рождается вместе с материей в Большом Взрыве. Вопрос “А что там было прежде?” более ничего не значит. В точном смысле, Большой Взрыв это граница, где пространство-время заканчивается, где разрывается сам пространственно-временной континуум. Общая Теория Относительности в момент Большого Взрыва поставила естественную границу для физики, не позволяющую взглянуть дальше.

Говоря о черных дырах, Общая Теория Относительности открыла и иные непредвиденные обстоятельства. Первое решение уравнения Эйнштейна, описывающее черную дыру, уже в 1916 году было получено немецким астрофизиком Карлом Шварцшильдом, воевавшим в составе германской армии на фронтах Первой Мировой войны. Однако понимание физического смысла этого решения потребовало много времени. Наиболее естественным путем для формирования черных дыр является гибель звезд. Во время сияния звезды, сжигающей ядерное топливо, лучевое давление, направленное наружу, может уравновешивать гравитацию. Но после того как все топливо сожжено, единственной силой, которая может соперничать с гравитационным притяжением, является сила отталкивания, порождаемая квантовомеханическим принципом запрета Паули. Во время своей знаменитой поездки в Кембридж, двадцатилетний Субрахманьян Чандрасекар объединил принципы специальной теории относительности и квантовой механики, что бы показать, что если звезда достаточно массивна, гравитация в состоянии преодолеть силы отталкивания, порождаемые принципом запрета Паули. И в результате звезда завершает свою эволюцию в качестве черной дыры. В течение тридцатых годов он исправил и дополнил свои вычисления и предоставил неопровержимые аргументы в пользу подобного сценария звездного краха. Однако выдающийся британский астрофизик того времени, Артур Эддингтон не воспринял идею подобного сценария и заявил, что при “правильных” вычислениях специальная теория относительности просто не применима. Сегодня даже студент провалил бы экзамен, если бы попробовал приводить в своих рассуждениях подобную аргументацию. Ведущие специалисты по квантовой физике того времени Боровской и Дирак с готовностью согласились с результатами Чандрасекара, но сделали это в личных письмах, при этом, не подумав публично указать Эддингтону на его ошибки. Это было исправлено только в 1983 году при вручении Чандрасекару Нобелевской премии. В результате это недоразумение задержало на несколько десятилетий не только признание работы Чандрасекара, но и восприятие черных дыр, как реальных объектов.

Как ни странно, но даже сам Эйнштейн не воспринимал черных дыр. Уже в 1939 году он опубликовал статью в Анналах Математики, в которой утверждал, что черные дыры не могут быть сформированы коллапсом звезд. Он утверждал, что вычисления верные, но вывод является следствием нереалистического предположения. Только несколько месяцев спустя, американские физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер опубликовали свою работу, теперь являющуюся классической, неопровержимо доказывающую, что массивные звезды завершают свою эволюцию формированием черной дыры. Было показано, что черная дыра есть область, в которой искривление пространства-времени настолько сильно, что даже свет не в состоянии покинуть ее. Поэтому, согласно Общей Теории Относительности, внешним наблюдателям эти области кажутся черными как смоль. Если обратиться к аналогии двумерной резиновой поверхности, то окажется, что прогиб пространства-времени в черной дыре оказывается настолько большим, что оно фактически рвется, формируя сингулярность. Как и в случае Большого Взрыва, кривизна становится бесконечной. Пространство-время формирует горизонт событий, и физика на этом горизонте просто останавливается.

И все же, по всей видимости, черные дыры являются обычными объектами во Вселенной. Общая Теория Относительности, объединенная с нашим знанием процесса эволюции звезд, предсказывает, что во Вселенной должно быть огромное количество черных дыр с массами, порядка 10 - 50 солнечных масс, являющимися продуктами жизнедеятельности массивных звезд. Действительно, черные дыры видные игроки в современной астрономии и астрофизике. Они являются мощными источниками самых высокоэнергетичных феноменов во Вселенной, вроде знаменитого гамма-луча, испускаемого массивной черной дырой. Этот луч несет в себе энергию, которую испускают 1000 солнц за все время их жизни. Черная дыра возникает в результате взрыва сверхновой, завершающего жизненный путь массивной звезды. И такой взрыв фиксируется каждый день. Центры всех эллиптических галактик, по всей видимости, содержат сверхмассивные черные дыры с массами порядка миллионов солнечных масс. Наша собственная галактика, Млечный путь, имеет в центре черную дыру с массой 3,2 миллиона солнечных масс.

После Эйнштейна

“Действительно, новые области нашего опыта будут всегда приводить к кристаллизации новой системы научных знаний и законов. Мы, сталкивающиеся с новыми чрезвычайными интеллектуальными вызовами, постоянно следуем примеру Колумба, который обладал смелостью оставить известный мир в почти безумной надежде на открытие земли на том конце моря”

В.Гейзенберг “Последние изменения в точных науках”

Общая Теория Относительности - лучшая теория тяготения и структуры пространства-времени, которую мы имеем на сегодняшний день. Она может описывать внушительное множество явлений в пределах от великого космического расширения до функционирования всемирной системы позиционирования на Земле. Но эта теория не полна, поскольку она игнорирует квантовые эффекты, управляющие субатомным миром. Более того, эти две теории принципиально различны. Мир Общей Теории Относительности обладает геометрической точностью, он детерминирован. В отличие от этого мира, мир квантовой механики подвержен сомнениям, он является вероятностным. Физики поддерживают это счастливое, почти шизофреническое состояние, используя Общую Теорию Относительности для описания крупномасштабных явлений в астрономии и космологии, и квантовую теорию для описания свойств атомов и элементарных частиц. Заметим, что это довольно жизнеспособная стратегия, поскольку эти два мира встречаются очень редко. Но, тем не менее, эта стратегия, с концептуальной точки зрения, весьма неудовлетворительна. Все в нашем физическом опыте говорит нам, что должна быть более великая, более полная теория, из которой и Общая Теория Относительности и квантовая теория должны возникать, как частные, ограниченные случаи. На место такой теории претендует квантовая теория гравитации. Это насущная проблема, абсолютно логично возникающая вслед за работами Эйнштейна. Вопреки общепризнанной точке зрения, сформировавшейся вследствие более поздних замечаний Эйнштейна по поводу неполноты квантовой механики, он четко знал об этом ограничении Общей Теории Относительности. Замечательно, но Эйнштейн указывал на необходимость создания квантовой теории гравитации еще 1916 году! В своей статье, опубликованной в Preussische Akademie Sitzungsberichte, он писал:

- Однако, вследствие внутриатомного движения электронов, атомы должны были излучать не только электромагнитную, но так же и гравитационную энергию, но только в крошечных количествах. Поскольку все едино в Природе, кажется, что квантовая теория должна была бы изменить не только электродинамику Максвелла, но так же и новую теорию тяготения.

В Большом Взрыве и в сингулярности черной дыры, миры очень большого и очень маленького встречаются. Поэтому, хоть и в настоящее время эта встреча является для нас тайной за семью печатями, но именно она является теми воротами, в которые мы можем выйти за пределы Общей теории Относительности. В настоящее время считается, что реальная физика не может останавливаться на пороге горизонта событий. Скорее всего, это Общая Теория Относительности терпит там неудачу. Понятно, что теоретическая физика должна в очередной раз пересмотреть наше понимание пространства-времени. Мы нуждаемся в новом языке, способном заглянуть за эти ворота непознанного.

Создание этого языка расценивается как самый серьезный и самый главный вызов, перед которым стоит фундаментальная физика сегодня. В этом направлении сегодня существует несколько подходов. Один из них связан со струнной теорией, но мы остановимся на понятии квантовой петлевой гравитации (loop quantum gravity). Это подход к построению квантовой теории, возникший более 20 лет назад в работах индийского физика Абхая Аштекара (Abhay Ashtekar) и, как считается в данный момент, являющийся альтернативой струнному подходу в решении этой проблемы.

В Общей Теории Относительности пространство-время является континуумом. Основная идея, заложенная в основу квантовой петлевой гравитации, заключается в утверждении, что этот континуум является только приближением, которое нарушается на, так называемых, Планковских расстояниях. Планковская длина - это уникальная величина, которая может быть построена из гравитационной постоянной, постоянной Планка, характерной для квантовой физики и скорости света. Эта длина равна 3.10-33 см., что на 20 порядков меньше радиуса протона. Поэтому даже на самых мощных ускорителях частиц на Земле, можно без опаски работать с пространственно-временным континуумом. Но эта ситуация резко меняется, в частности, вблизи Большого Взрыва и в черных дырах. В подобных случаях нужно использовать квантованное пространство-время, квантом которого является петлевой квант гравитации.

Рис. 3 Структура квантованного пространства-времени (представление художника). Одномерные фундаментальные кванты пространства-времени "заплетают" в "кольчугу" ткань пространственно-временного континуума. Характерные размеры представленных квантов порядка планковских. В момент Большого Взрыва именно эти кванты определяют развитие процесса формирования Вселенной.

Попробуем понять, что такое квант пространства-времени. Обратимся к листу бумаги, лежащему перед нами. Для нас он кажется сплошным двумерным континуумом. Но при этом мы знаем, что он состоит из атомов. Этот лист имеет дискретную структуру, которая становится просто декларацией, если мы не смотрим на него, например, с помощью электронного микроскопа. Теперь дальше. Эйнштейн утверждал, что геометрия пространства-времени не менее физична, чем материя. А поэтому, она тоже должна иметь “атомарное” строение. Это предположение позволило в середине 90-х годов объединить принципы Общей Теории Относительности с квантовой физикой и создать квантовую геометрию. Так же как непрерывная геометрия дает математический язык для формулировки Общей Теории Относительности, так и квантовая геометрия дает математический инструмент и порождает новые физические понятия для описания квантовых космических времен.

В квантовой геометрии, первичными являются фундаментальные замкнутые в кольцо геометрические возбуждения, являющиеся одномерными. Обычная ткань кажется гладким двумерным континуумом, но в ее основе лежат одномерные нити. Аналогичное предположение можно выдвинуть и относительно континуума более высокой размерности. Находясь на чисто интуитивном уровне, можно рассматривать фундаментальные геометрические возбуждения, как квантовые нити, которые можно ткать, создавая саму ткань пространства-времени. Что возникает, когда мы находимся вблизи пространственно-временной сингулярности. Понятно, что в этой области само понятие пространственно-временного континуума просто не применимо. Квантовые колебания в этой области настолько огромны, что квантовые нити просто не могут быть “вморожены” в пространственно-временной континуум. Ткань пространства-времени разорвана. Физика пространственно-временного континуума “закрепляется” на остатках пространственно-временной ткани. При этом, становится понятным, что сами нити, составляющие основу ткани мироздания, приобретают особое значение. Используя квантовое уравнение Эйнштейна все еще можно изучать физику, описывать процессы, происходящие в квантовом мире. Но тут есть важный момент. Дело в том, что в отсутствие пространственно-временного континуума многие из обычно используемых в физике понятий становятся просто не корректными. Необходимо вводить в рассмотрение новые понятия, заменяющие или дополняющие отброшенные, а для этого нужна новая физическая интуиция. И в таких драматических условиях прокладывается путь для квантовых уравнений Эйнштейна.

На основе этих уравнений стало возможным уточнить некоторые детали Большого Взрыва. При этом оказалось, что дифференциальные уравнения Эйнштейна, написанные для пространственно-временного континуума, должны быть заменены дифференциальными уравнениями, записанными на языке дискретной структуры квантовой геометрии. Проблема заключается в том, что стандартные уравнения Эйнштейна, превосходно описывающие классическое пространство-время, совершенно перестают работать при приближении к Большому Взрыву, когда плотность материи приближается к планковской плотности, равной 1094 г/см3 по порядку величины. В квантовой геометрии кривизна пространства-времени в планковском режиме становится очень большой, но конечной. Удивительно, но эффекты квантовой геометрии порождают новую расталкивающую силу, которая является настолько большой, что с легкостью преодолевает силу гравитации. Общая Теория Относительности перестает работать. Вселенная расширяется. Квантовые уравнения Эйнштейна позволяют развить квантовую геометрию и построить правильное описание материи в режиме Планка, не оставляющего места такому нефизичному понятию, как сингулярность. На место Большого Взрыва приходит сильный квантовый удар.

Рис.4 Расширение пространства-времени космологического петлевого кванта (представление художника). Время на рисунке снова бежит вертикально. Общая теория Относительности описывает только верхнюю половину этого рисунка, соответствующую Большому Взрыву. Квантовые уравнения Эйнштейна расширяют это пространство-время на прошлое Большого Взрыва. Сходящаяся ветвь "предбольшого взрыва" связана с расширяющейся ветвью "постбольшого взрыва". Полоса в середине соответствует "квантовому мосту", соединяющему эти ветви и обеспечивающему детерминированное развитие процесса в жестком планковском режиме.

На основе квантовых уравнений Эйнштейна был выполнен численный расчет процесса в пространственно однородном изотропном случае. Был рассчитан пространственно-временной континуум вне планковского режима и на “другой” стороне Большого Взрыва. На так называемой ветви ”предбольшого” взрыва. Оказалось, что этот сжимающийся континуум тоже хорошо описывается Общей Теорией Относительности. Однако когда плотность материи становится равной 0,8 планковской плотности, отталкивающая сила, порожденная квантовой геометрией, бывшая незначительной ранее, становится доминирующей. И вместо того, что бы коллапсировать в точку, Вселенная испытывает сильный квантовый удар, переводящий процесс в расширяющуюся ветвь “постбольшого” взрыва, в которой мы сейчас живем. Классическая Общая Теория Относительности очень хорошо описывает обе ветви, кроме случая, когда процесс происходит в планковском режиме. В этом режиме квантовый мост связывает обе эти ветви и этим мостом управляет квантовая геометрия.

Возникновение отталкивающей силы квантовой природы в момент квантового удара имеет любопытную аналогию с возникновением отталкивающей силы в процессе умирания звезды. В случае, когда отталкивающая сила начинает преобладать над гравитационной, когда ядро звезды достигает критической плотности 6х1016 г/см3 , она может предотвратить коллапс звезды в черную дыру и превратить ее в устойчивую нейтронную звезду. Эта отталкивающая сила порождается принципом запрета Паули и напрямую связана с квантовой природой происходящего процесса. Однако, если масса умирающей звезды оказывается большей, чем 5 масс Солнца, гравитация преодолевает эту силу и звезда коллапсирует в черную дыру. Возникает сингулярность. Отталкивающая сила, порождаемая квантовой геометрией, входит в игру при более высоких плотностях материи, но при этом она преодолевает гравитационное сжатие не зависимо от того, насколько массивным было разрушающееся тело. Действительно, ведь это тело может быть целой Вселенной! Привлекательность квантовой петлевой гравитации заключается в том, что, предсказывая этот эффект, она предотвращает образование сингулярностей в реальном мире, расширяя “жизнь” нашего пространства-времени посредством квантового моста.

Благодаря Эйнштейну в 20-м столетии понимание пространства и времени подверглось кардинальному пересмотру. Геометрия пространственно-временного континуума стала столь же физичной, насколько физичной была до этого материя. Это понимание открыло новые перспективы в космологии и астрономии. Но в нашем столетии нас ожидают не менее кардинальные перемены в понимании пространства-времени. Благодаря квантовой геометрии Большой Взрыв и черные дыры для физики больше не окружены границами недоступности. Физическое квантовое пространство-время является намного большим, чем Общая Теория Относительности. Существование связи между этими теориями позволяет говорить о непротиворечивости квантовой петлевой гравитации. Эта непротиворечивость позволяет нам делать вполне определенные выводы о физике возникновения нашей Вселенной и о физике черных дыр. Еще более захватывающие возможности могут открываться в результате дальнейшего развития этой теории.

Источник: Abhay Ashtekar Space and Time: From Antiquity to Einstein and Beyond. - Science Journal v.23, PennState, Summer 2005.

«Интересные статьи, интернет ресурсы»

http://naturalworld.ru/article_izmerenie-prostranstva-i-vremeni.htm

http://cyberleninka.ru/article/n/kategorii-prostranstvo-i-vremya-v-filosofii-antichnosti-srednih-vekov-i-vozrozhdeniya

Сведения об авторе

Балашова Елена Юрьевна. Кандидат психологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, кафедра нейро- и патопсихологии, факультет психологии, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, ул. Моховая, д. 11, стр. 9, 125009 Москва, Россия; старший научный сотрудник, отдел медицинской психологии, Научный центр психического здоровья Российской академии медицинских наук, Каширское шоссе, д. 34, 115522 Москва, Россия.

Е-mail: elbalashova@yandex.ru

Балашова Е.Ю. Проблема пространства и времени в трудах В.И.Вернадского: взгляд психолога // Психологические исследования. 2014. Т. 7, № 33. С. 1. URL: http://psystudy.ru (дата обращения: чч.мм.гггг).

[Описание соответствует ГОСТ Р 7.0.5-2008 "Библиографическая ссылка". Дата обращения в формате "число-месяц-год = чч.мм.гггг" - дата, когда читатель обращался к документу и он был доступен.]

Адрес статьи:

http://psystudy.ru/index.php/num/2014v7n33/927-balashova33.htm.

В процессе создания естественно-научной картины мира возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных предметов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, однако их рассуждения носили стихийный и нередко противоречивый характер. Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.
Актуальность данной темы состоит в том, что расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

Заключение

В обыденном восприятии под пространством понимают некую протяженную пустоту, в которой могут находиться какие-либо предметы. Однако между небесными телами есть некоторое количество вещества, да и физический вакуум содержит виртуальные частицы. В науке пространство рассматривается как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой. Время, как и пространство, имеет объективный характер. Они неотделимы от материи, связаны с ее движением и друг с другом.

Таким образом, пространство и время относятся к числу важнейших форм бытия материи или ее атрибутов, без которых невозможно существование материи. В мире нет материи, не обладающей пространственно-временными свойствами, как не существует пространства и времени самих по себе вне материи или независимо от нее.

Научное понимание пространства до XX в. мало отличалось от обыденного. Евклид построил геометрию трехмерного пространства, которая находится в основе классической науки. Декарт заполнил евклидово пространство материей, находящейся в вечном движении. Ньютон представил пространство однородным, изотропным и абсолютным.

Чтобы объяснить особенности распространения света в инерциальных системах отсчета, Эйнштейн предложил свою теорию относительности. В специальной теории относительности пространство и время объединены в четырехмерный континуум, т.е. событие задается четырьмя числами тремя координатами и моментом времени. В рамках специальной теории относительности пространство и время имеют относительный характер. При скоростях инерциальной системы, близкой к скорости света, темп времени замедляется, а размеры укорачиваются.

Теория относительности, созданная Эйнштейном в начале XX в. - это новое представление о пространстве и времени, которое перевернуло привычные представления и очевидные истины, существовавшие несколько столетий и считавшиеся безусловными в классическом естествознании, которое базировалось на ньютоновской механике.

Эйнштейновская теория вовсе не опровергла законы классической механики. Она показала, что они справедливы только для определенных условий или масштабов и не могут быть всеобщими, как считал Ньютон. Они способны описать и объяснить только некий фрагмент реальности, но далеко не все существующее. Теория относительности, охватившая гораздо большую область действительности по сравнению с объектами классического естествознания, включила в себя ньютоновскую механику на правах частного случая, установила для нее ограниченную область применения.

Более того, великие открытия Эйнштейна подтвердили правильность определения пространства и времени как формы существования движущейся материи. Это означает, что определение Энгельса опередило уровень естествознания XIX в., так как включает в себя зависимость пространства и времени от материального движения, что противоречило ньютоновской концепции, но подтверждало эйнштейновскую.

Размещено на Allbest.ru