Понятие о пространстве и времени

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Развитие представлений о пространстве и времени до XX века

2. Представления о пространстве и времени в современной физике

3. Мерности пространства - времени

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Самые первые представления о времени и пространстве относятся к древним векам, это субъективные понятия. Время выражает порядок смены физических состоянии материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека.

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи со свойствами движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел, а время никак не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как геометрический параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что значительно упрощает действительность. Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время, как формы существования материи, изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего связь между ними остается нераскрытой. Современная концепция физического пространства-времени значительно обогатила наши естественнонаучные представления, которые стали ближе к действительности. Поэтому знакомство с ними следует начать с теории пространства-времени в том виде, как она представлена в современной физике.

Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени.

1. Развитие представлений о пространстве и времени до XX века

Физика превращается в науку в современном понимании этого термина с созданием классической механики. Фейнман в своих лекциях о природе физических законов совершенно справедливо говорит о том, что классическая механика уже в том виде, как она изложена Ньютоном, вполне отвечает современным критериям научности. И эта ее современность во многом определяется использованием математического аппарата и, в частности, геометрии. Именно благодаря геометрии и особенно вследствие того, что созданная Декартом аналитическая геометрия позволила алгебраические уравнения выражать в виде кривых, а кривые - в виде уравнений, возникла принципиально новая возможность описать движение.

Еще Пифагор сформулировал принцип построения пространства, в котором можно рассматривать все физические явления. Такое построение состоит в том, что движение точки порождает линию, движение линии порождает поверхность, а движение поверхности - пространство. Таким образом, пространство оказывается обобщенным выражением движения как перемещения, то есть механического движения. Однако для того, чтобы идти по пути Пифагора в синтезе пространства, надо суметь выразить движение точки. Но как показали элеаты, такое движение противоречиво и, следовательно, не может быть выражено средствами формальной логики. Поэтому античные мыслители, такие как Платон, Аристотель и их последователи полагали, что в основе движения, изменения лежат абсолютно неизменные логические структуры. Они то и образуют истинную, в том числе физическую реальность. Эта реальность точнее всего описывается математикой и, в частности, геометрией. Не случайно геометрия Евклида является типичной аксиоматической теорией. В противоположность брауэровской теорией. В противовес математике и современному конструктивизму в ней нет понятия «становление». Основным для нее является понятие «существование». Все ее объекты как бы заведомо уже существуют, они неизменны, и остается лишь логически выявить их свойства, заданные полностью системой аксиом.

Математика Нового времени была противоречивой. С одной стороны, она полностью принимает геометрию с ее концепцией сосуществования, а с другой, широко использует представления о переменных, то есть изменяющихся величинах.

Благодаря синтезу этих двух подходов физике удалось описать механическое движение, избегая того противоречия, которое в нем заложено. Суть этого способа физического описания движения состоит в том, что рассматривается не само движение, а его результат, заданный в некотором неизменном пространстве, все точки которого существуют. Таким образом, классическая механика пошла путем прямо противоположным тому, которым логически пытался идти Пифагор. Она всецело заимствовала, и притом практически, парадигмальную модель Платона-Аристотеля. Пространство изначально существует, рассматривать движение в его элементарной форме просто не нужно. Когда физика была вынуждена в квантовой механике перейти к такому элементарному рассмотрению движения, то она столкнулась с теми же противоречиями, которые в философии в этой связи обсуждались от Зенона до Гегеля, включая современный диалектический материализм.

Но воспользовавшись неизменной моделью пространства, заимствованной из евклидовой геометрии, физика все же не смогла полностью освободиться от противоречивости. Ведь пространство евклидовой геометрии бесконечно, и уже в первой космологической модели эта противоречивость проявилась. Ведь бесконечность и противоречие - это тождественные понятия. Бесконечность не может быть выражена не противоречиво, ведь она сама есть результат движения. И, таким образом, бесконечность пространства - это положенное или существующее противоречие движения, и поэтому противоречивость первой космологической модели, построенной на основе классической механики, была ничем иным как выражением противоречия, заложенного в понятии бесконечного пространства.

Вторым способом ухода от противоречивости для классической физики и, в частности, механики было то, что она пользовалась аппаратом математики и благодаря этому проблема противоречивости переносилась в сферу математики.

С момента своего возникновения дифференциальное и интегральное исчисления были связаны с понятием изменяющейся величины и притом с бесконечно изменяющейся величиной.

Уже в начале XIX века началось логическое обоснование дифференциального и интегрального исчисления. Это было сделано через теорию пределов. Но изменяющиеся величины в этой теории сохранялись. Для того, чтобы полностью исключить изменение, функцию стали задавать на множестве ее значений. Однако при этом пришлось использовать бесконечные множества. Но поскольку бесконечность в любой ее форме противоречива, то естественно надо было попытаться построить математическую теорию, которая смогла бы выразить или отобразить эти множества непротиворечиво. Эту задачу впервые попытался решить Кантор, построив так называемую наивную теорию множеств. Кантор полагал, что ему удалось решить задачу создания непротиворечивой теории множеств. В одном из писем он прямо об этом говорит, утверждая, что Гегель ошибался, отрицая саму возможность построения непротиворечивой теории бесконечных множеств. Однако вскоре выяснилось, что Кантор поспешил с утверждением о безусловно успешном решении задачи. Скоро оказалось, что на окраине его теории множеств возникают неразрешимые противоречия. Для их разрешения необходимо пересмотреть саму логическую основу математики, что и было сделано в трех относительно независимых направлениях: логицизме, формализме, конструктивизме. Но сам факт существования именно трех путей решения задачи и невозможность найти общее решение говорит о том, что история развития этого противоречия состоит не в его последовательном устранении, а в том, что оно как бы последовательно передвигается на все более и более глубокий уровень.

Поскольку классическая физика пользовалась моделями платоновского типа, то естественно, что неизменная форма пространства и времени не могла зависеть от каких-либо изменяющихся физических процессов. Да и сами эти процессы задавались в виде результата. Уравнения движения планет вокруг Солнца задают сразу всю совокупность точек пространства, которые и являются траекторией движения планеты. Они как бы все сосуществуют.

Сами законы движения и взаимодействия кажутся независимыми от пространства и времени. Но в то же время эти законы выражаются через пространственно-временные характеристики. Поэтому можно показать, что в действительности законы классической физики могут обуславливать устойчивое движение и само существование устойчивой системы лишь в том пространстве, которое задается аксиомами евклидовой геометрии. Например, доказано, что для таких законов как закон тяготения или закон Кулона число измерений пространства должно быть на единицу больше показателя степени знаменателя аналитического выражения, характеризующего взаимодействие в этом пространстве, то есть для закона тяготения и для закона Кулона пространство должно быть трехмерным, поскольку в знаменателе этих выражений стоит квадрат. Если бы пространство имело другую мерностью или показатель был бы больше двух, системы были бы неустойчивые. Планеты падали бы на Солнце или улетали бы от него.

Таким образом, довольно часто встречающееся утверждение, что в классической физике физические процессы рассматриваются как бы независимо от свойств пространства и времени, является неточным. Эта независимость имеет место лишь постольку, поскольку само пространство и время изначально, аксиоматически задаются как неизменные. Но столь же неизменными представлялись в классической физике и ее законы.

2. Представления о пространстве и времени в современной физике

Для того чтобы понять сущность пространства и времени в физических теориях и как шло изменение представлений о свойствах пространства и времени в физике, необходимо дать общее определение этих понятий на уровне их философского обобщения.

В этом случае пространство и время можно определить как количественные характеристики изменения. Поскольку мы имеем дело с результатом изменения, то его количественная характеристика - это пространство. Поэтому пространство нередко определяют как сосуществование событий. Но сосуществующее сохраняет свою определенность лишь постольку, поскольку его элементы сохраняют свое бытие. Следовательно, если мы отвлекаемся от всех свойств кроме того, что это есть результат изменения, мы получаем сосуществование элементов или количество результата движения вообще.

В противоположность этому, время - это количество самого изменения. Поэтому для измерения пространственных характеристик используют неизменные эталоны, а для измерения времени сравнивают два процесса, например, продолжительность человеческой жизни с числом оборотов Земли вокруг Солнца.

Из такого понимания пространства и времени следует, что эти свойства физической реальности нельзя рассматривать независимо от других ее свойств, в частности, от свойств движения. Ведь как пространство, так и время -это лишь количественные характеристики изменения физической реальности, и поэтому они зависят от качества этой реальности, то есть от всей совокупности ее свойств. Но физическая реальность многообразна. В ней существуют различные структурные уровни организации, которые в первом приближении можно разделить на уровни микро-, макро- и мегамира. Поскольку количество само качественно, то с изменением его масштабов меняются и его свойства. Следовательно, на этих трех уровнях организации физической реальности должны существовать и качественные различия пространства и времени в этих мирах. Естественно, что классическая физика опиралась на тот опыт, который накопило человечество в макромире. В этом мире пространственно-временные отношения сопоставимы с масштабами тела самого человека, с его размерами и продолжительностью жизни. В тех масштабах, где пространство и время сохраняют те же самые отношения, которые имеют место в пространственно-временных характеристиках самого человека, существует и макромир в целом. Там же, где эти свойства изменяются, мы переходим к микро- или мегамиру.

Вся классическая физика основывалась исключительно на изучении пространственно-временных отношений макромира. Однако к концу XIX века развитие физики и новый уровень физического эксперимента, который стал возможен благодаря качественному изменению техники материального производства, создали возможность и необходимость перейти к изучению пространственно-временных отношений как в микромире, так и мегамире.

Но для того чтобы разрабатывать теорию пространственно-временных отношений на качественно ином уровне, пришлось создать новый математический аппарат. Правда, особенность развития математики состоит, в частности, в том, что она подобно философии, которая опережает частнонаучное познание в качественном анализе, делает то же самое в количественном отношении. То есть создает основу количественного анализа таких качественно новых аспектов физической реальности, которые еще не стали предметом изучения самой физики. Поэтому физика как бы находит уже готовыми те математические средства, которые необходимы ей при переходе к новому уровню изучения своего объекта.

Эта закономерность для многих физиков и математиков казалась чем-то мистическим. Ведь математики в этом случае даже не представляют, для чего могут быть использованы разрабатываемые ими математические структуры, и все же они создают как раз такую математику, которая более или менее быстро потребуется в новой области исследований. В основе этого явления лежат вполне объективные закономерности. Во-первых, далеко не всегда математика обгоняла потребности в ней. Так, геометрия возникла тогда, когда уже существовала практическая потребность в измерении площадей. Так что практическая потребность предшествовала разработке соответствующей математики. То же можно сказать и об основах арифметики. Математический анализ также возникает тогда, когда в нем появляется потребность при создании классической механики.

Между тем, всякая теория, раз возникнув, развивается в соответствии со своей внутренней логикой. Деятельность теоретиков выявляет те возможные закономерности, которые имплицитивно, скрыто содержатся в системе исходных принципов. Но поскольку сами эти принципы первоначально были абстрагированы от самой этой реальности и, следовательно, отражали тот или иной ее аспект, то и логическое развитие лишь раскрывало конкретность тех же самых свойств, сохраняя при этом принцип отражения. Следовательно, математика, поскольку она возникает и развивается вначале в связи с определенной частнонаучной концепцией, затем более детально начинает отображать свой аспект той же самой реальности, которая служит предметом содержательной частнонаучной теории. Но так как математика все же исследует лишь один аспект реальности, ее количественную характеристику, то она изучает скорее область возможного, чем область действительного. На эту особенность научного мышления обратил внимание еще Кант. Он полагал, что геометрия описывает не реальные пространственные структуры вещей, а лишь то, какими эти вещи могут быть восприняты нами. Но Лейбниц показал, что имеют смысл, и даже истинный, все те математические структуры, которые могут быть доказаны на основе законов логики. Применяя этот принцип к аксиомам геометрии, Лобачевский построил первую неевклидову. геометрию, об истинности которой можно было судить лишь потому, что она была построена на основе применения законов формальной логики, совершенно так же, как и евклидова геометрия.

Поскольку математика освободилась от требований интуитивной ясности исходных аксиом теории, возникла возможность принципиально расширить множество тех структур, которые используют исходные принципы, аксиомы, постулаты, аналогичные тем, которые использовала евклидова геометрия и которые в то же время качественно отличаются от того набора, который использовался в евклидовой геометрии.

Так, при замене постулата о параллельных прямых на альтернативный ему постулат о множестве прямых, параллельных данной и проходящих через точку, лежащую вне этой прямой, Лобачевский получил геометрию, для которой затем были найдены различные области интерпретации, включая и пространственно-временную. А замена того же постулата на другое альтернативное утверждение привело к созданию геометрии Римана, которую впоследствии удалось применить в теории пространства и времени общей теории относительности. Исключив из системы аксиом евклидовой геометрии аксиомы непрерывности, мы получаем неархимедову геометрию. Поскольку она описывает чисто дискретное пространство, то в принципе она применима при описании микропроцессов, где дискретность доминирует по отношению к непрерывности.

Говоря о том, что математика как бы опережает развитие частных наук и что каждый раз, когда потребность в тех или иных математических средствах появляется, они уже подготовлены предыдущим развитием математики, нельзя это утверждение абсолютизировать. Математика лишь в принципе создает соответствующие структуры, но для их практического применения, как правило, приходится проводить большую дополнительную работу для того, чтобы математические средства были вполне адекватны тем задачам, которые с их помощью решаются. Таким образом, происходит коррекция в развитии самой математики в соответствии с теми задачами, которые порождаются той или иной наукой, и в частности, физикой.

Поскольку пространство и время - это количественные характеристики движения, то естественно, что пересмотр представлений о пространстве и времени возникает тогда, когда объектом изучения становятся разные количественные и качественные характеристики движения. Так, если при изучении макропроцессов можно было абстрагироваться от связи пространства и времени и рассматривать две эти характеристики движения как независимые и, в частности, раздельно их измерять, предполагая, что никакой неточности здесь не возникает, то совершенно иная картина возникает тогда, когда при осуществлении операции измерения учитывается скорость относительного движения наблюдателей, которые проводят эти измерения. В этом случае разные наблюдатели получат отличные разложения одного и того же пространственно-временного интервала. Причем, если относительные скорости наблюдателей велики, а масштабы имеют космический характер, то и различия в разных системах отсчета при измерении пространства и времени, если измерения пространства и времени производятся раздельно, окажутся весьма большими.

Все эффекты, обнаруживаемые в системе пространственно-временных отношений при описании их средствами теории относительности, возникают вследствие того, что сама процедура измерения строится на предельности скорости света. Так, сокращение длины движущегося тела по направлению движения возникает вследствие того, что при сохранении длины, нарушался бы принцип, согласно которому скорость света ни в какой системе не может превышать своего предельного значения. Но при сохранении длины движущегося тела скорость света должна оказаться выше, если измерения проводятся при помощи источника, находящегося на движущемся теле. На этом же основано и замедление времени, так как без замедления времени нарушается принцип постоянства скорости света и независимости этой скорости от движения источника света.

Естественно возникает вопрос, какой смысл имеют релятивистские эффекты относительно пространства и времени с точки зрения физических процессов. Поскольку время - это количественная характеристика изменения, то его замедление означает, что при сопоставлении данного процессы с другими процессами, то есть при его измерении в единицу времени, происходит меньше событий, чем это происходит в системе с меньшей скоростью. Именно такая интерпретация использовалась при рассмотрении скорости распада частиц, разогнанных в ускорителе с большой скоростью. Продолжительность их жизни увеличивалась по сравнению с продолжительностью жизни неразогнанных частиц.

Но в какой мере эти эффекты скажутся, если разгоняться будут более сложные системы? Эта проблема получила название «проблема близнецов». Если один из близнецов отправляется в космическое путешествие на фотонной ракете, скорость которой близка к скорости света, то замедление времени для него должно стать как угодно большим. Так что несколько десятилетий, прошедших для близнеца, оставшегося на Земле, уложатся в одну секунду для того, который летит в фотонной ракете. Эта идея была весьма распространенной как в фантастической литературе, так и в научно-популярных изложениях теории относительности. Между тем ситуация здесь не является столь простой. Ведь теория относительности потому и называется теорией относительности, что в ней все системы отсчета равноправны. Следовательно, если мы свяжем систему отсчета с фотонной ракетой, то именно тот близнец, который остался на Земле, будет двигаться в этой системе координат со скоростью, близкой к скорости света, и именно у него будет происходить замедление времени. Этот парадокс можно разрешить лишь приняв, что существует универсальная система отсчета, по отношению к которой и следует вести измерение. В частности, еще Мах рассматривал эту проблему и пришел к выводу, что система звезд, которая в хорошем приближении может рассматриваться как неподвижная, и является такой универсальной системой отсчета при измерении движения. В этом случае замедление будет происходить лишь в системе фотонной ракеты, поскольку именно она движется с большой скоростью относительно системы неподвижных звезд, в то время как близнец на Земле движется настолько медленно относительно системы, что его скоростью можно пренебречь. Теоретическая трудность состоит лишь в том, что теория относительности не признает сам факт существования преимущественных систем отсчета, и тем более абсолютной системы.

При этом теория относительности, описывая пространственно-временные отношения, остается феноменологической. Дело в том, что она ничего не говорит о тех действительных физических механизмах, действующих факторах, которые порождают эти эффекты. Что именно заставляет пространство сжиматься по направлению движения, а время замедляться с увеличением скорости, физически остается необъясненным. Это чисто логические выводы, следующие из тех постулатов, которые приняты в этой теорий. Не случайно, что при таком подходе нередко делаются выводы, противоречащие хорошо установленным фактам.

Например, принцип относительности системы отсчета применяют при сравнении систем Птолемея и Коперника. Они различаются тем, что система Птолемея связывает систему отсчета с Землей, в то время как система Коперника - с Солнцем. Но если утверждать, что все системы отсчета равноправны, то система Птолемея равноправна с системой Коперника и, следовательно, вопрос, вращается ли Земля вокруг Солнца или Солнце вращается вокруг Земли, не имеет однозначного ответа. Считать, что Солнце вращается вокруг Земли, можно с тем же правом, как и принять противоположный ответ.

Здесь мы опять видим ту ситуацию, при которой теория весьма эффективная при описании одних явлений, порождает противоречие, парадоксы «на своих окраинах». Это вполне аналогично той ситуации, которая возникла в наивной теории множеств Кантора. Однако эти противоречия не привели к полному отказу от этой теории, а потребовали лишь ее логического усовершенствования. Точно так же нельзя согласиться и с теми, кто на основании парадоксов, обнаруживаемых в теории относительности, отвергает эту теорию в целом.

Общая теория относительности, ориентированная прежде всего на мегамир, уже в первой своей формулировке претендует на роль общей теории гравитации. Поскольку, согласно теории Эйнштейна-Инфельда, общая теория относительности потому и является общей, что она должна описывать не только движение под действием гравитации, но и всякое другое движение, она претендует на выявление универсальных свойств пространства и времени. Главное свойство, которое вводит общая теория относительности при характеристике пространственно-временного континуума, то есть множества пространственно-временных событий, - это кривизна как его важнейшая характеристика. Благодаря кривизне всякое физическое движение осуществляется по кривым, полное описание которых в нашей Вселенной имеет вид замкнутых кривых. Только при рассмотрении малых отрезков таких кривых возможна аппроксимация, благодаря которой кривая заменяется прямой.

При положительной кривизне пространство замыкается. При этом мир оказывается конечным в пространстве и в то же время неограниченным. Неограниченность пространства - времени как четырехмерного множества событий следует из того, что вне такого пространства просто ничего не существует. Выражая эту мысль, Эйнштейн говорил, что классическая физика представляла физическую реальность таким образом, что если из нее убрать вещество и энергию, то останется пустое пространство. Согласно же общей теории относительности, пространство тоже исчезнет, так как оно не существует вне и не зависимо от физической реальности вообще, в частности от вещества и энергии. Такая абсолютная связь пространства с движущейся материей хорошо соответствует вышеприведенному утверждению, согласно которому пространство и время - это два аспекта количественной определенности движения физической реальности, и если это движение исчезает, то, естественно, исчезают и его количественные характеристики, то есть пространство и время.

Если общая теория относительности в основном используется для построения моделей мегауровня физической реальности, то специальная теория, применима и на уровне микропроцессов. Это связано с тем, что здесь мы встречаемся с громадными скоростями движения и с процессами, в которых непосредственно важную роль начинает играть соотношение массы и энергии:

Е=mс².

пространство время мерность представление

Сложность, однако, состоит в том, что теория относительности, как общая, так и специальная, реализует лапласовский детерминизм: в них действует однозначная связь причины и следствия, в то время как квантовая механика, напротив, принимает принцип неопределенности и, следовательно, в ней невозможно рассматривать однозначное соотношение причины и следствия. И все же удалось объединить теорию относительности и квантовую механику, создав релятивистскую квантовую механику.

Наиболее характерным специфическим свойством пространства и времени на уровне микропроцессов является их дискретность. Как в макро-, так и в мегамире мы можем описывать движение в пространстве, задавая посредством кривой траекторию движения материального тела. Причем кривая эта будет непрерывной. Предполагается, что движущееся тело проходит все точки этой кривой. Между двумя точками этой кривой, если она непрерывна, всегда существует третья точка, что и выявляет ее непрерывность. Иначе дело обстоит при описании движения микрочастиц. Уже вследствие того, что микрочастица одновременно является частицей и волной, представление о движении по траектории не дает нам адекватную картину движения микрочастицы в пространстве. Но если добавить к этому, что в силу принципа неопределенности существует лишь вероятность того, что данная движущаяся частица в следующий момент времени окажется в определенной точке пространства, то тем самым ее движение не может быть описано непрерывной траекторией. Более того, понятие «траектория» вообще не применимо при описании движения микрочастиц. Она как бы последовательно обнаруживается в различных точках пространства. При этом расстояния между двумя точками, в которых последовательно во времени побывала данная микрочастица, могут быть как угодно большими. Но это означает, что возникает дальнодействие. Каждое событие, происходящее на микроуровне, действует на весь мир. Здесь мы как бы возвращаемся к лапласовской модели Вселенной. Ведь в этой модели малейшее изменение на любом уровне мгновенно передается благодаря дальнодействию во всех направлениях, и таким образом все оказывается связано со всем.

И все же квантово-механическая модель взаимодействия существенно отличается от лапласовской модели. Поскольку движение дискретно и действует принцип неопределенности, события в микромире не могут однозначно повлиять на весь мир. Более того, распространяясь в бесконечном пространстве, в силу дискретности отдельные воздействия теряют плотность. А отсюда следует, что на достаточно больших расстояниях возникновение таких воздействий обладает бесконечно малой вероятностью.

Поскольку микропроцессы дискретны, то естественно было бы попытаться использовать для их описания такую модель пространственно-временных отношений, где был бы реализован принцип дискретности. Такую математическую модель построить нетрудно. Достаточно из евклидовой геометрии исключить аксиомы непрерывности. И все же такая модель оказывается малоэффективной. Сложность состоит в том, что в действительности микропроцессы одновременно как дискретны, так и непрерывны, а это означает, что одна и та же структура должна включать в себя взаимоисключающие свойства.

3. Мерности пространства - времени

Важными характеристиками пространства и времени являются их мерности. Классическая физика использовала для описания механических процессов трехмерное пространство. Смысл трехмерности пространства в классической физике со стоит в том, что трем точкам на трех координатах соответствует одна единственная точка пространства и. наоборот, любой заданной точке пространства соответствует единственная тройка чисел, так что эти числа соответствуют точкам на координатах. Из этого следует, что в трехмерном пространстве можно описать любую форму механического движения.

Трехмерность пространства с нулевой кривизной настолько привычна в повседневном опыте, что до второй половины XIX века ни у кого не возникало сомнение в том, что никакого другого пространства кроме трехмерного быть не может. Не случайно поэтому вопрос о мерности пространства даже не ставился в философских системах до второй половины XIX века.

Между тем математика, исходя из своих собственных потребностей, начала разрабатывать аппарат n-мерного пространства, где n - не только любое число, но даже бесконечно большое. Вскоре выяснилось; что аппарат n-мерного пространства эффективен и для описания физических процессов. Так, в теории относительности было использовано четырехмерное пространство, в квантовой механике шестимерное пространство и т.д. Это привело к мысли, что пространство вообще необязательно характеризуется только тремя измерениями.

Поскольку в философии эта проблема ранее вообще не обсуждалась, то естественно было попытаться обобщить использование n-мерного пространства в физике. Оказалось, что вопрос о мерности пространства не связан с тем или иным решением основного вопроса философии. Тем не менее, наиболее приемлемо представление о многомерности пространства было для позитивистских направлений в философии. Это обусловлено тем, что согласно позитивизму всякое теоретическое построение имеет лишь тот смысл, что оно обобщает эмпирические факты, и если это обобщение удобно, то оно тем самым истинно.

От него не требуется соответствие физической реальности. Для материализма вопрос об объективности n-мерного пространства должен решаться исключительно на основании обобщения практики использования этого понятия в частнонаучном познании. Правда, отрицательное отношение к при знанию объективности многомерного пространства порождалось тем, что вокруг этого пространства возникли спекуляции идеалистического и мистического порядка. Попытки обосновать единственность трехмерного пространства строились на том, что каждый раз, когда вводится пространство с числом измерений больше трех, то каждому дополнительному измерению приписывается некоторое свойство, отличное от пространственных координат. Когда же затем интерпретируются полученные результаты, то опять-таки три пространственные координаты выделяются как описание пространственных характеристик данного процесса, а каждой другой координате сопоставляются значения того или иного свойства соответствующего процесса. Отсюда делается вывод, что истинное пространство всегда трехмерно.

Однако в моделях, которые отображают становление нашей Вселенной, приходится использовать десятимерное пространство, и все десять измерений характеризуют именно пространство. При переходе от становления к устойчивому состоянию, то есть к моменту, когда уже сформировались основные физические законы, изменяется и пространство. Семь из десяти координат как бы сворачиваются в точки и остается лишь три пространственных координаты. Важно подчеркнуть, что при любой интерпретации этой модели приходится иметь дело именно с десятью пространственными координатами. Сворачивание семи из них в точки осуществляется лишь постольку, поскольку для описания ныне существующих физических процессов трех пространственных координат достаточно.

Но можно пойти и другим путем, а именно предположить, что в процессе становления возникает два мира: один - это та физическая реальность, в которой мы живем и в которой пространство трехмерно, и второй мир, дополняющий первый и в котором пространство семимерно.

Те модели развития космических процессов, в которых используется такой аппарат многомерного пространства, где чисто пространственную интерпретацию получают координаты больше трех, остаются пока лишь гипотезами. Поэтому с достоверностью при описании физической реальности в нашем мире мы можем говорить лишь о трехмерном пространстве. Даже в том случае, если модель становления нашей Вселенной, использующая десятимерное пространство, окажется адекватной реальности, то и тогда в нашем реально существующем мире пространство остается трехмерным. Не исключено, что даже в этих моделях многомерность пространства является лишь математическим приемом.

Известно, что далеко не всегда те дополнительные математические построения, которые используются для доказательства тех или иных теорем, имеют реальный смысл.

Проблема времени также требует дополнительного обсуждения. Благодаря теории относительности, в которой время вводится как четвертая координата, характеризующая четырехмерное множество пространственно-временных событий, возникла тенденция отождествлять временную и пространственную координаты. Пространственные координаты не имеют направленности. Точнее, их направленность задается в целях описания соответствующих процессов. Поэтому в пространстве можно двигаться в любом направлении, что нисколько не противоречит никаким физическим законам. В отличие от этого время направлено. Мы не можем двигаться в обратном направлении по временной оси. Однако с физической точки зрения для многих фундаментальных физических теорий это не совсем так. Например, такие фундаментальные физические теории как классическая механика, теория относительности и даже квантовая механика описываются такими системами уравнений, которые инвариантны к знаку времени. А это означает, что если поменять знак времени, то есть направление событий, то это никак не повлияет на те законы, которые описываются этими уравнениями, то есть никаких противоречий не возникнет между законами этих фундаментальных физических теорий н обратным ходом времени. Поэтому и возникли фантастические представлении о том. что возможно обратное движение во времени, то есть возвращение как бы в прошлое. Эта иллюзия основана на том, что в уравнениях этих теорий реализуется принцип однозначной причинно-следственной связи. Причина и следствие абсолютно тождественны, и в силу этого обратный ход событий может осуществляться, не затрагивая законов этих теории. Так, планеты, которые вращаются по орбитам в одном направлении, могли бы вращаться и в противоположном, н законам механики это нисколько не противоречит. Правда, для квантовой механики утверждение об инвариантности ее законов к знаку времени является не совсем точным. Оно имеет смысл лишь постольку, поскольку уравнения связывают вероятности событий. Но если мы переходим к эксперименту, то в силу действия принципа неопределенности мы не можем воспроизвести последовательность событий в обратном порядке.

Есть лишь одна физическая концепция, в которой направленность событий во времени связана с самим законом. Это второе начало термодинамики. Формально второе начало было получено при анализе дифференциальной формы уравнений, характеризующих теплообмен. При этом было показано, что все формы энергии способны переходить без остатка в тепловую энергию, а эта последняя без остатка не может перейти ни в одну другую. Вследствие этого в изолированной системе количество теплоты неуклонно возрастает и в конечном счете все формы энергии переходят в тепловую, а эта последняя равномерно распределяется в пространстве. Такое состояние изолированной физической системы называется максимумом энтропии в ней. В общем случае говорят, что энтропия в изолированной системе может только возрастать, но не может уменьшаться. Наиболее существенно здесь то обстоятельство, что такая система не способна осуществлять работу, в ней ничего не происходит, она как бы мертва.

Когда благодаря работам Больцмана было показано, что энтропия - это хаос в движении молекул, то это понятие получило новую интерпретацию, которая позволила иначе сформулировать тот же закон. В изолированной системе хаос в движении молекул может только возрастать и не может уменьшаться. В конечном счете этот хаос достигает максимального значения.

Таким образом, благодаря второму началу термодинамики оказалось возможным связать направленность времени с действием одного из фундаментальных физических законов. Однако направленность изменений с точки зрения второго начала термодинамики имеет место лишь в изолированных физических системах. Но так как мир - это не изолированная система, то для мира с бесконечным пространством нельзя говорить о существовании соответствующей направленности. Как предположил Больцман, за бесконечное время существования Вселенной мир уже пришел в состояние теплового равновесия, то есть к максимуму энтропии. Но если принять. ту Интерпретацию энтропии, которую дал Больцман, иными словами, если предположить, что максимум энтропии - это хаос в движении молекул, то как раз благодаря хаотичности этого движения в нем должны возникать флюктуации - отклонения от средних значений. При этом такие флюктуации могут быть как угодно велики, если принять бесконечность мира. Весь видимый нами мир и есть такая большая флюктуация, но она рано или поздно должна погаснуть. Вновь должен воцариться хаос. Но с той же необходимостью в других районах бесконечного мира будут возникать и исчезать такие же флюктуации. Это означает, что мир, находясь в состоянии тепловой смерти, в то же время продолжает жить. Однако направленности изменений в нем в сущности нет. Происходит лишь круговорот, возникают и исчезают флюктуации.

В масштабах нашей Вселенной в соответствии с теорией Большого взрыва имеет место направленность изменений. При этом изменения происходят в направлении от первоначального хаоса в движении элементарных частиц к последовательному возникновению все более упорядоченных и сложных форм организации. Последовательно возникают квазары, звездные системы, планетные системы, жизнь на планетных системах и т.д. Движение явно развивается в направлении от хаоса к порядку. И все же речь здесь идет о локальной направленности времени. В какой мере направленность времени может считаться универсальной, современная физика не в состоянии дать ответ.

Но если мы сопоставим различные формы движения, то на уровне философского обобщения можем утверждать, что статистический характер не только фундаментальных физических законов, но и всех других законов природы предполагает объективность случайности и неопределенности и тем самым исключает саму возможность обратного хода событий, одно событие в силу неопределенности принципиально не может повториться. Следовательно, стрела времени всегда направлена от прошлого через настоящее к будущему.

Понятие мерности в том смысле как оно применяется к понятию пространства не применимо ко времени. Тем не менее имеется три существенно различных меры времени. Поскольку время - это количество изменения, то и для определения времени, то есть для его измерения мы должны сопоставлять, сравнивать различные процессы. Такое сравнение может быть внешним, когда сопоставляются разнокачественные процессы. Например, продолжительность жизни человека или животного можно сравнить с числом оборотов Земли вокруг Солнца или время вращения Земли вокруг своей оси сравнить с распадом атома. Такой способ определения времени является внешним. Однако, если соответствующие процессы взаимосвязаны, то и такой способ измерения времени полезен и отражает определенные объективные отношения.

Если же мы хотим рассмотреть время с точки зрения внутренних процессов, мы должны выделить в данном явлении такой тип изменений, который был бы существенным для данной системы и потому позволил бы выделить существенные временные характеристики. Так, можно считать, что период полураспада радиоактивных веществ характеризует их собственную природу и поэтому может быть основой временной характеристики атомных процессов. Точно так же в живых организмах темп обмена веществ, число клеточных делений может служить основой для определения собственного времени систем.

Третья временная характеристика - это продолжительность существования данного явления исходя из его собственной природы. Всякое качество ограничено и конечно, но эта конечность может определяться как внешними, так и внутренними факторами. Если мы в состоянии определить необходимое время существования данного объекта и отношение к этому необходимому время реального существования, то мы тем самым определим третью временную характеристику данной вещи, процесса и т.д.

Развитие физических теорий показало, что пространство и время меняются в зависимости от тех процессов, которые разворачиваются в них.

Заключение

Пространство отражает такие свойства материальных объектов, как протяженность и порядок взаимного расположения. Время отражает такие свойства процессов, как последовательность и длительность. Пространство и время бесконечны. Инвариантность пространственных и временных интервалов является отражением свойств симметрии физического мира.

Эволюционная относительность пространства и времени принципиально отличается от специальной теории относительности А. Эйнштейна не только скоростью процессов, но и механизмом релятивистских эффектов, что проявляется в различии основных формул.

В специальной теории относительности рассматривается внешнее физическое движение объектов, а в качестве инварианта постулируется скорость света, которая рассматривается как абсолютная физическая величина, не зависящая от времени и пространства. В эволюционной теории относительности рассматривается внутреннее движение материи, которое связано с развитием и самоорганизацией в процессе эволюции и по сравнению со скоростью света характеризуется «сверхмедленной» скоростью процессов развития. Относительность переменных сопровождается постоянством (инвариантностью) скорости внутренних процессов.

Два основополагающих принципа специальной теории относительности -- принцип постоянства скорости света и принцип относительности.

Вытекающее из теории относительности представление о том, что размеры предметов и интервалы времени не являются абсолютными, а зависят от скорости движения, кажутся противоречащими повседневному опыту.

Список использованной литературы

1. Вайскопф В. Наука и удивительное (как человек понимает природу). - М.: Наука, 2009. - 279 с.

2. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 2007. -226 с.

3. Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания. -М.: ИТК «Дашков и К°», 2008. - 378 с.

4. Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. - М.: Наука, 2006. - 255 с.

5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. - М.: Мир, 2010. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru