Пространство в физике определение. Теоретическая физика: происхождение пространства и времени

И т. п.

На уровне повседневного восприятия пространство интуитивно понимается как арена действий, общий контейнер для рассматриваемых объектов, сущность некоторой системы. С геометрической точки зрения, термин «пространство» без дополнительных уточнений обычно обозначает трёхмерное евклидово пространство . Однако этот термин может иметь иной, более широкий смысл, вплоть до метафорического . Примеры:

Степное пространство
Межклеточное пространство
Личное пространство
Пространство идей
Многомерное пространство

Математика

Примеры

Физика

В большинстве разделов физики сами свойства физического пространства (размерность, неограниченность и т. п.) никак не зависят от присутствия или отсутствия материальных тел. В общей теории относительности оказывается, что материальные тела модифицируют свойства пространства, а точнее, пространства-времени, «искривляют» пространство-время.

Одним из постулатов любой физической теории (Ньютона, ОТО и т.д.) является постулат о реальности того или иного математического пространства (например Евклидова у Ньютона).

Психология / Лингвистика

Личностное пространство

Фантастика

См. также

Берлянт А.М. Образ пространства: карта и информация. - М.: Мысль, 1986. - 240 с.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Пространство (физика)" в других словарях:

Всеобщие формы бытия материи, её важнейшие атрибуты. В мире нет материи, не обладающей пространственно временными свойствами, как не существует П. и в. самих по себе, вне материи или независимо от неё. Пространство есть форма бытия… … Философская энциклопедия

Фундаментальное (наряду с временем) понятие человеческого мышления, отображающее множественный характер существования мира, его неоднородность. Множество предметов, объектов, данных в человеческом восприятии одновременно, формирует сложный… … Философская энциклопедия

Категории, обозначающие осн. формы существования материи. Пр во (П.) выражает порядок сосуществования отд. объектов, время (В.) порядок смены явлений. П. и в. осн. понятия всех разделов физики. Они играют гл. роль на эмпирич. уровне физ. познания … Физическая энциклопедия

- (греч. τὰ φυσικά – наука о природе, от φύσις – природа) – комплекс науч. дисциплин, изучающих общие свойства структуры, взаимодействия и движения материи. В соответствии с этими задачами совр. Ф. весьма условно можно подразделить на три больших… … Философская энциклопедия

ФИЗИКА. 1. Предмет и структура физики Ф. наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств … Физическая энциклопедия

Пространство, время, материя - «ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, МАТЕРИЯ» ставший классическим итоговый труд Г. Вейля по теории относительности (Weyl H. Raum, Zeit, Materie. Verlesungen ueber allgemeine Relativitaetstheorie. Berlin, 1. Aufl. 1918; 5. Aufl. 1923; рус. пер.: Вейль П …

Пространство - Пространство ♦ Espace То, что остается, если убрать все; пустота, но пустота в трех измерениях. Ясно, что понятие пространства – абстракция (если мы действительно уберем все, то не останется вообще ничего, и это будет уже не пространство, а… … Философский словарь Спонвиля

Пространство Фока алгебраическая конструкция гильбертова пространства, используемая в квантовой теории поля для описания квантовых состояний переменного или неизвестного числа частиц. Названо в честь советского физика Владимира… … Википедия

пространство - ПРОСТРАНСТВО фундаментальное понятие повседневной жизни и научного знания. Его обычное применение непроблематично в отличие от его теоретической экспликации, поскольку последнее связано с множеством других понятий и предполагает… … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

Пространство Мизнера абстрактное математическое пространство время, являющееся упрощёнием решения Тауба НУТ, впервые описанное Чарльзом Мизнером из Университета Мэриленда. Также известен как Лоренцево орбиобразие Упрощённо его можно… … Википедия

Книги

Физика тлеющего разряда , А. А. Кудрявцев, А. С. Смирнов, Л. Д. Цендин. В книге систематически излагается современная физика тлеющих газовых разрядов (glows), то есть сравнительно слаботочных разрядов низкого и среднего давления с сильно-неравновесной плазмой.…

Мурманский Государственный педагогический институт Физико-математический факультет Кафедра физики по теме II Гнатюк Мурманск 7 Диалектический материализм исходит из того, что в мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181 Пространство и время, следовательно, выступают фундаментальными формами существования материи.Классическая физика рассматривала пространственно - временной континуум как универсальную арену динамики физических объектов.

Однако развитие неклассической физики физики элементарных частиц, квантовой физики и др. выдвинуло новые представления о пространстве и времени. Оказалось, что эти категории неразрывно связаны между собой. Возникли разные концепции согласно одним, в 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.

Как видно, современная физика настолько разрослась и потеряла единство, что в ее различных разделах существуют прямо противоположные утверждения о природе и статусе пространства и времени. Этот факт требует тщательного исследования, так как может показаться, что представления современной физики противоречат фундаментальным положениям диалектического материализма.Правда, следует отметить, что в современной физике речь идет о пространстве и времени как о физических понятиях, как о конкретных математических структурах, наделенных соответствующими семантическими и эмпирическими интерпретациями в рамках оределнных теорий, и что выяснение макроскопичности подобных структур не имеет прямого отношения к положению диалектического материализма об универсальности пространства и времени, так как в этом речь идет уже о философских категориях.

Начинать исследование целесообразно с представлений античной натурфилософии, анализируя затем весь процесс развития пространственно - временных представлений вплоть до наших дней. 1 Аристотеля. Атомистическая доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом.

Согласно этой доктрины, вс природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи атомов, которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве.Атомы бытие и пустота небытие являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности времени.

Атомы двигаются в пустоте бесконечное время. Бесконечному пространству соответствует бесконечное время. Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты.Множество атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один большой атом, исчерпывающий собой мир. Сама же концепция была основана на атомах, которые в сочетании с пустотой образуют вс содержание реального мира. В основе этих атомов лежат амеры пространственный минимум материи.

Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениями современной физики о кварках.Характеризуя систему Демокрита как теотию структурных уровней материи - физического атомы и пустота и математического амеры, мы сталкиваемся с двумя пространствами непрерывное физическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах протяжения материи.

В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур рассмотривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени.Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. На математическом уровне 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 пространства и времени. В их представлениях были реализованы 4 субстанциальная и атрибутивная концепции. Аристотель начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени.Дальнейший анализ времени ведтся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения.

Аристотель показывает. что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть и само движение. В 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.В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.

Земной состоит из четырх стихий - земли, воды, воздуха и огня небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Эта модель просуществовала около двух тысячелетий. Однако в системе Аристотеля были и другие положения, которые оказались более жизнеспособными и во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени.Речь идт о логическом учении Аристотеля на основе которого были разработаны первые научные теории, в частности геометрия Евклида.

В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами встечаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые считались решнными. В таком подходе представлена модель теории, которая работает и сегодня аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами.Геометрия Евклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов.

Огромной заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории тврдого тела и световых лучей. Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины мира как в эмпирическом, так и в теоретико- логическом плане.С помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были революционные представления Н. Коперника, который развил гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории Коперника можно считать открытия И.Кеплера 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. 3. Квадраты времн 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 признатся пустое пространство и круговое инерциальное движение, Декарт дошл до идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицал пустое пространство, и только Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение. Для Декарта не характерен осознанный и систематический учт относительности движения.

Его представления ограничены рамками геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления изменению.Для Ньютона же характерна динамическая трактовка массы, и в его системе это понятие сыграло основопологающую роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя, ибо это требуется неизменностью божества. То же самое достоверно для Ньютона вследствие массы тела. Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают сво физическое содержание с помощью аксиом через законы движения.

Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени.

У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов. После выхода в свет Начал Ньютона физика начала активно развиваться, причм этот процесс происходил на основе механистического подхода.Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел. После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется.

Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной тврдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло в разрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.Революция в физике началась открытием Рмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 30 кмс. В 1728 году Брэдри открыл явление звздной аберрации.

На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника иили примника. О.Френель показал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона 1881г. полностью это опроверг. Таким образом возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления вс хуже сводились к механике.Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности. Ареной этих законов является вс пространство, а не одни точки, в которых находится вещество или заряды, как это принимается для механических законов.

Так возникла электромагнитная теория материи.Физики пришли к выводу о существовании дискретных элементарных объектов в рамках электромагнитной картины мира электронов.

Основные достижения в области исследования электрических и оптических явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца.Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашл выход, который спасал абсолютное пространство и время классической механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона, правда ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и ввести свои собственные, основанные на неинвариантности времени. tt-vxc2, где v - скорость движения системы относительно эфира, а х - координата той точки в движущейся системе, в которой производится измерение времени.

Время t он назвал локальным временем. На основе этой теории виден эффект изменения размеров тел L2L11v22c2. Сам Лоренц объяснил это опираясь на свою электронную теорию тела испытывают сокращение вследствие сплющивания электронов. Терия Лоренца исчерпала возможности классической физики.Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени.

Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна. 3 2.1. Специальная теория относительности. В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира.Отрицательные результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики.

Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из 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 где x, y, z, t - координаты в одной системе, x, y, z, t - в другой.

Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяжнности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчта В специальной теории относительности функционирует новый закон сложения скоростей, из которого вытекает невозможность превышения скорости света.Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующех теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией.

В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца оказываются связанными с новыми свойствами пространства и времени с относительностью длины и временного промежутка, с равноправностью пространства и времени, с инвариантностью пространственно - временного интервала.Важный вклад в понятие равноправность внс Г. Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырхмерного 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 ошибочным представлять пространственно - временную структуру новой теории как проявление одной лишь концепции относительности. Введение Минковским четырхмерного формализма помогло выявить аспекты абсолютного мира, заданного в пространственно - временном континууме.В теории относительности, как и в классической механике, существуют два типа пространства и времени, которые реализуют субстанциальную и атрибутивную концепции.

В классической механике абсолютные пространство и время выступали в качестве структуры мира на теоретическом уровне. В специальной теории относительности аналогичным статусом обладает единое четырхмерное пространство - время.Переход от классической механики к специальной теории относительности можно представить так 1 на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству - времени, 2 на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени Эйнштейна.

Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект.

Новая теория - общая теория относительности - строилась путм построения обобщнного пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщнной теории с последующей е эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.Пространство и время в общей теории относительности и в релятивистской космологии.

Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым.Речь идет о следующем положении специальной теории относительности двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определнной длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени.

Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определнной величины, независимо от места и времени.Следует отметить, что в общей теории относительности находит наиболее полное воплощение представление диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи.

Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации.

Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порожднного равноускоренным движением. Принцип эквивалентности носит локольный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности.Он помог сформулировать основные принципы, на котрых базируется новая теория гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.

Кроме них Эйнштейн выдвинул ряд матаматических гипотез, без которых невозможно было бы вывести гравитационные уравнения пространство четырхмерно, его структура опрелеляется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат. В работе Относительность и проблема пространства Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности.Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное тому, что заполняет пространство и что зависит от координат.

Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля. Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам.Теория предсказала и объяснила три общелелятивистских эффекта были предсказаны и вычислены конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звзд при их прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаружен эффект красного гравитационного смещения частоты спектральных линий. Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей теории относительности геометризацию гравитации и релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.

Были попытки ввести пространства более высокой размерности. чем четырхмерное пространственно-временное многообразие Римана Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын - бесконечное многообразие. Однако таким путм решить проблему не удавалось.На пути пересмотра евклидовой топологии пространства - времени строится современная единая теория поля - квантовая геометродинамика Дж. Уитлера.

В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводится понятие суперпространства, как арены действия геометродинамики.При таком подходе каждому взаимодействию соответствует своя геометрия, и единство этих теорий заключается в существовании общего принципа, по которому порожнаются данные геометрии и расслаиваются соответствующие пространства.

Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещ более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные частицы в их единстве и гармонии. Доэйнштейновские представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна 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. Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия.Таких положений в классической космологии четыре стационарность Вселенной, е однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.

Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведт к признанию е однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну.В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала е бесконечность.Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться.Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввл в уравнения теории новый член с помощью которого во Вселенную вводились новые силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.

Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V HL, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Всвязи с этим встают две важные проблемы проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние разбегание галактик - наглядное обозначение раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики.Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само пространство. Вторая проблема связана с представлением о начале времени.

Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t0, когда произошл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбург считает, что Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии, которое отвечает началу времени, понятие времени до этого начала лишено физического, да и любого другого смысла.В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчта.

Это положение особо чтко отразилось в представлениях о чрных дырах. Речь идет об одном из наиболее интересных явлений современной космологии - гравитационном коллапсе. С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают Расширение Вселенной во многих отношениях подобно коллапсу звезды, если не считать того, что направление времени при расширении обратное.Как начало Вселенной, так и процессы в чрных дырах связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда условная сфера с радиусом r 2GMc2, где G - гравитационная постоянная, М - масса.

Независимо от того, в каком состоянии космический объект переск соответствующую сферу Шварцшильда, далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного коллапса.После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время звезда потухает для удалнного наблюдателя, и в пространстве образуется чрная дыра. Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится за бесконечностью во времени.

Таким образом, оказалось, что пространство - время в общей теории относительности содержит сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть концепцию пространственно - временного континуума как некоего дифференцируемого гладкого многообразия.Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку r - 0, когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Это вызывает обоснованное сомнение.

Дж. Уитлер считает, что в заключительной стадии гравитацинного коллапса вообще не существует пространства - времени. С. Хокинг пишет Сингулярность - это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства - времени.

Этих представлений придерживаются большинство современных космологов. На заключительных стадиях гравитационного коллапса вблизи сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они должны играть на этом уровне доминирующую роль и могут вообще не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области происходят субмикроскопические флуктуации материи, которые и составляют основу глубокого микромира.Вс это свидетельствует о том, что понять мегамир невозможно без понимания микромира. 4. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА. Пространственно-временные представления квантовой механики.

Создание Эйнштейном специальной теории относительности не исчерпывает возможноси взаимодействия механики и электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было выявлено противоречие как в истолковании экспериментальных данных, так и в теоретической согласованности этих выводов.Это повлекло за собой рождение квантовой механики.

Она положила начало неклассической физике, открыла дорогу к познанию микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманию процессов в недрах звзд и начале Вселенной. В конце XIX века физики начали исследовать, как распределяется излучение по всему спектру частот.В тот 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.

Попытка решить проблему с позиции термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с помощью интерполяции где v - частота излучения, Т - температура, k - постоянная Больцмана. Полученная Планком формула была очень содержательной, кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h, которую Планк назвал элементарным квантом действия.Справедливость формулы Планка достигалась очень странным для классической физики предположением процесс излучения и поглощения энергии является дискретным. C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло представление о карпускулярно - волновом дуализме.

Реальная природа света может быть представлена как диалектическое единство волны и частиц. Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было предложено множеств о противоречащих друг другу моделей.Выход был найден Н. Бором путм синтеза планетарной модели атома Резерфорда и квантовой гипотезы.

Он предположил, что атом может иметь ряд стационарных состояний при переходе в которые поглащается или излучается квант энергии. В самом же стационарном состоянии атом не излучает. Однако теория Бора не объясняла интенсивности и поляризации излучения. Частично с этим удалось справиться с 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.

Он выяснил, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и элементарным частоцам материи присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929 году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое уравнение, носящее его имя. Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения Шредингера.Он показал, что это уравнение описывает амплитуду вероятности нахождения частицы в данной области пространства.

Чуть раньше 1925г. Гейзенбергом была разработана квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на соотношении неопределнностей Гейзенберга чем больше неопределнность пространственной координаты, тем меньше неопределнность значения импульса частицы. Аналогичное соотношение имеет место для времени и энергии частицы.Таким образом, в квантовой механике была найдена принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам.

В квантовой физике была поставлена важная проблема о необходимости пересмотра пространственных представлений лапласовского детерминизма классической физики.Они оказались лишь приближнными понятиями и основывались на слишком сильных идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы существование принципиальной неопределнности в состоянии объекта, наличие черт целостности и индивидуальности в микромире, что и выражалось в понятии универсального кванта действия h. Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещ не создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещ большими трудностями.

Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды взаимодействий и специфические свойства пространственно - временных отношений.

Область доступных в эксперименте микроскопических интервалов условно делится на четыре уровня 1уровень молекулярно - атомных явлений, 2 уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов, 3 уровень элементарных частиц, 4уровень ультрамалых масштабов, где пространственно - временные отношения оказываюстя несколько иными, чем в классической физике макромира.В этой области по-иному следует понимать природу пустоты - вакуум.

В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов, электронно - позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривают как особый вид материи - как 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 применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой е плотностью.

Минимум е оказался равным уровню осциллятора hv2. Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны пишет Я. Зельдович мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии. Эта бесконечная энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности, которые ещ предстоит освоить физике.Продвигаясь вглубь материи, учные перешагнули рубеж 10 см. и начали исследовать физические процессы в области субатомных пространственно - временных отношений. На этом уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц.

Здесь иные пространственно - временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого.Ещ более радикальных изменений пространственно - временных представлений требует переход к исследованию процессов, характерных для слабых взаимодействий.

Поэтому на повестку дня встат вопрос о нарушении пространственной и временной чтности, т.е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными. В этих условиях были предприняты различные попытки принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно направление связано с изменением представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе - с гипотезой о возможной макроскопической природе пространсва и времени.Рассмотрим более подробно эти направления.

Прерывность и непрерывность пространства и времени в физике микромира. Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства и времени. После создания теории относительности и квантовой механики учные попытались объединить эти две фундаментальные теории.Первым достижением на этом пути явилось релятивистское волновое уравнение для электрона.

Был получен неожиданный вывод о существовании антипода электрона - частицы с противоположным электрическим зарядом.В настоящее время известно, что каждой частице в природе соответствует античастица, это обусловлено фундаментальными положениями современной теории и связано с кардинальными свойствами пространства и времени чтность пространства, отражение времени и т.д Исторически первой квантовой теорией поля была квантовая электродинамика, включающая в себя описание взамодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого уровня развития и известной завершнности.

Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно - временной непрерывности точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечт за собой существенные трудности, связанные с бесконечными значениями некоторых величин масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д Эти трудности учные пытались преодалеть путм введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени.

Такой подход намечает единственный выход из неопределнности бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину - основу атомистического пространства.Позже была построена обобщнная квантовая электродинамика, которая также является локальной теорией, описывающей точечные взаимодействия точечных частиц, что приводит к существенным трудностям. Например, наличие электромагнитного и электронно - позитронного вакуума обуславливает небходимость внутренней сложности, структурности электрона.

Электрон поляризует вакуум, и флуктуации последнего создают вокруг электрона атмосферу из виртуальной электронно - позитронной пары. При этом вполне вероятен процесс аннигиляции исходного электрона с позитроном пары. Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но в другой точке пространства. Подобная специфика объектов квантовой электродинамики является веским аргументом в пользу концепции пространственно - временной дискретности.

В е основе лежит идея о том, что масса и заряд электрона находятся в разных физических полях, отличны от массы и заряда идеализированного изолированного от мира электрона. Разность между массами оказывается бесконечной.При оперировании этими бесконечностями их можно выразить через физические константы - заряд и массу реального электрона. Это достигается путм перенормировки теории.

Что касается теории сильных взаимодействий, то там процедуру перенормировки использовать не удатся. Всвязи с этим в физике микромира широкое развитие получило направление, связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя методами. При первом 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.

Протяжнная элементарная частица обладает сложной динамической структурой. Подобная сложная структура микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учные столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики элементарного и сложного в микромире.Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами.

В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного. Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения раньше и позже.В области нелокального взаимодействия события связаны в некий комок, в котором они взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.

Таково принципиальное положение дел, сложившееся в развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенберга и кончая современными нелокальными и нелинейными теориями, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени на области малые, где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в нелокальной теории новой константы размерности длины - элементарной длины.

С этим атомом пространства связан и элементарный момент времени хронон, и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц. Теория дискретного пространства - времени продолжает развиваться. Открытым остатся вопрос о внутренней структуре атомов пространства и времени.Существует ли пространство и время в атомах пространства и времени Это одна из версий гипотезы о возможной макроскопичности пространства и времени, которая будет рассмотрена ниже. Проблема микроскопичности пространства и времени в микромире.

В современной физике микромира возникла следующая проблема речь стала идти не об изменении свойств или структуры пространства и времени, а об их макроскопической природе, т.е. о том, что их вообще возможно нет в микромире.Такая постановка вопроса связана с созданием квантовой механики. Что касается сфер приложимости гипотезы, то е сторонники разошлись во мнениях одни считают, что она имеет отношение лишь к теоретическому описанию объективной реальности в квантовой физике, другие расширили е уровня философского положения о неуниверсальности пространства и времени как форм существования движущейся материи.

В ньютоновской механике теоретическое и эмпирическое пространство и время во многом совпадали. С развитием физики это совпадение нарушается.В связи с этим возникает вопрос должна ли эмпирическая структура физической теории выступать обязательно в форме пространства и времени классической физики Гейзенберг следующим образом описывает создавшуюся в физике микромира ситуацию Оказывается, в наших исследованиях атомных процессов неизбежно существует своеобразное раздвоение.

С одной стороны, вопросы, с которыми мы обращаемся к природе посредством экспериментов, всегда формулируются в понятиях классической физики, в особенности в понятиях пространства и времени, поскольку наш язык приспособлен к передаче только обыденного нашего окружения и поскольку опыты мы не можем провести иначе, как только во времени и в пространстве.

С другой стороны, математические выражения, пригодные для изображения экспериментальных результатов, представляют собой волновые функции в многомерных конфигурационных пространствах, не допускающих какой-либо простой наглядной интерпретации. Из этого положения можно сделать вывод, что пространство и время классической физики являются эмпирической структурой квантовой механики.Так в чм же суть рассматриваемой гипотезы Эмпирическая структура физической теории заведомо макроскопична.

Теоретическая структура при описании микромира выступает как пространство и время.Пространство и время можно использовать при развитии физических теорий, описывающих другие уровни строения материи, но это сопряжено с неоправданным усложнением теории, и поэтому от них отказываются. Речь идт о макроскопичности пространства и времени, которые выступают в качестве теоретических структур физических теорий.

В заключении рассмотрим гипотезу о макроскопической природе пространства и времени с точки зрения диалектико - материалистического учения об их универсальности. Речь едт о пространстве и времени как категориях современной физики, которые являются специфическими метрическими структурами сосуществования данных явлений и смены конкретных состояниий, что предполагает возможность различия двух соседних точек и двух последующих моментов.Свойства соседства и следования являются конкретными и специфическими свойствами структуры, которые могут существовать далеко не везде.

С этой точки зрения можно даже говорить о внепространственных и вневременных формах существования материи.Однако, можно задать и другой вопрос если пространство и время оказываются неуниверсальными, то какой смысл нужно вкладывать в них сейчас, чтобы они попрежнему оставались универсальными С этим вопросом связано возникновение и развитие различных модификаций гипотезы о макроскопической природе пространства и времени.

Если этой гипотезе пытаются придать философский статус, то это необоснованно, т.к. она носит сугубо физический характер и не вступает в противоречие с тезисом диалектическо - материалистической философии о всеобщности пространства и времени.Но в рамках физической проблематики эта гипотеза не означает, что макромир обладает только соответствующей пространственной природой, т.е. следует учитывать, что макромир не исчерпывается классическими объектами в классических пространстве и времени, что неклассический макромир может потребовать неклассической пространственно - временной организации 1. Аскин Я.Ф. Проблема времени.

Е физическое истолкование, М. Мысль 1986. 2. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании, М.Мысль 1982 253 с. 3. Ахундов М. Д. Проблемы прерывности и непрерывности пространства и времени, М.Наука 1989 256 с. 4. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени истоки, эволюция, перспективы, М.Наука 1982 222 с. 5. Осипов А.И. Пространство и время как категории мировоззрения и регуляторы практической деятельности, МинскНаука и техника 1989 220 с. 6. Потмкин В.К Симанов А.Л. Пространство в структуре мира, НовосибирскНаука 1990 176 с. 7. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырх томах.

Том I. Работы по теории относительности 1905-1920, М.Наука 1985 700с.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Кафедра «АТБ»

по дисциплине

«Физика»

«Пространство и время в физике»

Выполнил:

ст. гр. ЗТСБвд-113 Т.В. Макарова

Принял: преподаватель

М.А. Антонова

Владимир 2013

Введение

2. Пространство и время

3. Пространство и время в теории относительности Альберта Эйнштейна

Заключение

Список литературы

Введение

С древнейших времен человечество всегда было очаровано понятиями Пространства (Небеса) и Времени (Начало, Изменение и Конец). Ранние мыслители, начиная от Гаутамы Будды, Лао Цзы и Аристотеля, активно обращались к этим понятиям. За столетия, содержание рассуждений этих мыслителей, выкристаллизовала в человеческом сознании те мысленные образы, которые мы теперь используем в нашей повседневной жизни. Мы думаем о пространстве, как о трехмерном континууме, окутывающем нас. Мы представляем время, как длительность любого процесса, никак не затронутая силами, действующими в физической вселенной. А вместе они образуют сцену, на которой развивается вся драма взаимодействий, актерами которой является все остальное - звезды и планеты, поля и материя, Вы и я.

Классическая физика рассматривала пространство как нечто абсолютное - вместилище объектов. Пространство полагалось бесконечным, линейным, непрерывным, а физическое пространство (область, которую составляют взаимодействующие материальные объекты) отождествлялось с математическим пространством дифференциальной геометрии. В теории относительности, которая появилась в начале 20 века, пространство уже не носит абсолютный характер, оно может изменяться, появляется понятие кривизны пространства, а при околосветовых скоростях, становятся возможны сокращения размеров объектов, но по-прежнему пространство представляет собой вместилище объектов. С появление теории систем появилось и новое понимание пространства как системы отношений между объектами. По мере развития системного подхода к познанию природы и развития техники, как практической деятельности по созданию технических систем, в науке развивается представление о дискретном пространстве-структуре. В современной физике пространство представляет собой математическую модель отношений между элементами структур, образованных материальными объектами. Выбор математической модели определяется структурой исследуемой системы и происходящими в ней процессами. Споры о том, сколько измерений имеет пространство, относятся к области математических моделей, это споры о том, какая модель более удобна и более наглядна. Так для описания движения твердых тел удобно использовать однородное непрерывное пространство дифференциальной геометрии не имеющее структуры (или имеющее однородную структуру). Это пространство имеет метрику (используются понятия расстояние, размер). А для описания движения потоков энергии в электрической цепи удобнее использовать дискретное пространство-структуру, состоящую из элементов электрической цепи и их связей (ветвей) - это область комбинаторной топологии (для одномерных ветвей - теория графов). Здесь пространство не имеет метрики (не применимы понятия расстояние, размер). Так как расстояние и структура создаются материей, то соответственно, без реальных объектов само по себе пространство не существует. Понятие пространства по отношению к понятиям "расстояние" (метрика) и "структура", является более высоким уровнем абстракции (обобщением) этих понятий. Измерение пространственных соотношений для метрического пространства производится методом сравнения расстояний с линейными размерами материальных объектов, выбранных в качестве эталона. Таким образом, осуществляется отображение физического пространства на математическую модель. Для человека ощущение пространства дает относительность масштабов, размеров (соотношение объекты/наблюдатель). Параметры околоземного пространства (магнитные и электрические поля, гравитация, термодинамические параметры) и происходящие в нем процессы для нас являются внешними условиями, так как мы погружены в эту среду. А мы, в свою очередь, как обособленные биосистемы, формируем внутри себя собственное пространство и собственную среду, где идут биохимические процессы, что и обеспечивает нашу жизнедеятельность. Наше внутреннее пространство и его параметры образуют внешние условия для объектов меньшего масштаба. Если и дальше продвигаться вниз по этой шкале, то внутримолекулярные условия являются внешними для атомов, внутриатомные - для ядер и электронов, входящих в атом, и т.д. Классическая физика рассматривала время - как нечто универсальное, независимое, то, относительно чего отсчитывают события и с помощью чего измеряют интервалы между событиями. Время полагалось непрерывным, равномерным, абсолютным, а физическое время (средство сравнения динамики материальных процессов) отождествлялось с математическим линейным одномерным пространством дифференциальной геометрии. В теории относительности, которая появилась в начале 20 века, время уже не носит абсолютный характер, оно может изменяться, предполагается, что в движущихся системах отсчета и вблизи тяготеющих масс время течет медленнее. В настоящее время в физике используют как непрерывное время процессов, так и дискретное время событий.

В современной физике время образуется из множества процессов с различной динамикой и представляет собой интегрированное свойство окружающего мира. Фактически ни процессы, ни изменения, ни движения, не происходят во времени. Наоборот, они сами служат реальной физической основой для введения понятия времени. Время оказывается лишь более высоким уровнем абстракции, характеризующее динамику этих явлений. Тут прослеживается полная аналогия с понятием пространства, которое базируется на понятии расстояния, и является лишь более высоким уровнем абстракции. Аналогично, понятие времени базируется на ходе реальных движений, процессов, изменений и является лишь более удобной формой абстракции. Измерение временных соотношений производится методом сравнения промежутков между реальными событиями с количеством циклов высокостабильных циклических процессов, выбранных в качестве эталона.

Таким образом, осуществляется отображение физического времени на математическую модель. Часы - это внутрисистемная динамика какой - либо системы, взятая в качестве эталона и служащая единицей динамичности, через которую выражается динамика и длительность других процессов.

1. Античная доктрина о пространстве и времени

пространство время эйнштейн микромир

Атомистическая доктрина была развита материалистами Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрины, всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек материи (атомо), которые двигаются, сталкиваются и сочетаются в пустом пространстве. Атомы (бытие) и пустота (небытие) являются первоначалами мира. Атомы не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время. Бесконечному пространству соответствует бесконечное время.

Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты. Множество атомов, которые не разделяются пустотой, превращаются в один большой атом, исчерпывающий собой мир.

Сама же концепция была основана на атомах, которые в сочетании с пустотой образуют всё содержание реального мира. В основе этих атомов лежат амеры (пространственный минимум материи). Отсутствие у амеров частей служит критерием математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а последние не существуют в свободном состоянии. Это совпадает с представлениями современной физики о кварках.

Характеризуя систему Демокрита как теорию структурных уровней материи - физического (атомы и пустота) и математического (амеры), мы сталкиваемся с двумя пространствами: непрерывное физическое пространство как вместилище и математическое пространство, основанное на амерах как масштабных единицах протяжения материи.

В соответствии с атомистической концепцией пространства Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур рассматривал свойства механического движения исходя из дискретного характера пространства и времени. Например, свойство изотахии заключается в том, что все атомы движутся с одинаковой скоростью. На математическом уровне 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 пространства и времени. В их представлениях были реализованы

Аристотель начинает анализ с общего вопроса о существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель показывает, что время немыслимо, не существует без движения, но оно не есть и само движение. В 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.

В современной физике это скорость света, в античной и средневековой философии - скорость движения небесной сферы.

Пространство для Аристотеля выступает в качестве некоего отношения предметов материального мира, оно понимается как объективная категория, как свойство природных вещей. Механика Аристотеля функционировала лишь в его модели мира. Она была построена на очевидных явлениях земного мира. Но это лишь один из уровней космоса Аристотеля. Его космологическая модель функционировала в конечном неоднородном пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос был разделен на земной и небесный уровни. Земной состоит из четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении. Эта модель просуществовала около двух тысячелетий. Однако в системе Аристотеля были и другие положения, которые оказались более жизнеспособными и во многом определили развитие науки вплоть до настоящего времени. Речь идёт о логическом учении Аристотеля на основе которого были разработаны первые научные теории, в частности геометрия Евклида. В геометрии Евклида наряду с определениями и аксиомами встречаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем арифметике. В постулатах сформулированы те задачи, которые считались решёнными. В таком подходе представлена модель теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая система и эмпирический базис связываются операционными правилами. Геометрия Евклида является первой логической системой понятий, трактующих поведение каких-то природных объектов. Огромной заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории.

Галилео Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевской картины мира как в эмпирическом, так и в теоретико-логическом плане. С помощью телескопа он наглядно показал насколько глубоки были революционные представления Николая Коперника, который развил гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории Коперника можно считать открытия И.Кеплера: 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. Площадь сектора орбиты, описываемая 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 Ньютон объединил пустое пространство и прямолинейное инерциальное движение.

Для Декарта не характерен осознанный и систематический учёт относительности движения. Его представления ограничены рамками геометризации физических объектов, ему чужда ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления изменению. Для Ньютона же характерна динамическая трактовка массы, и в его системе это понятие сыграло основополагающую роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения или покоя, ибо это требуется неизменностью божества. То же самое достоверно для Ньютона вследствие массы тела.

Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на начальном уровне изложения, а затем получают своё физическое содержание с помощью аксиом через законы движения. Однако они предшествуют аксиомам, так как служат условием для реализации аксиом: законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчёта, которые определяются как системы, движущиеся инерциально по отношению к абсолютному пространству и времени. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов.

После выхода в свет "Начал" Ньютона физика начала активно развиваться, причём этот процесс происходил на основе механистического подхода. Однако, вскоре возникли разногласия между механикой и оптикой, которая не укладывалась в классические представления о движении тел.

2. Пространство и время в физике

Пространство и время в физике определяются в общем виде как фундаментальные структуры координации материальных объектов и их состояний: система отношений, отображающая координацию сосуществующих объектов (расстояния, ориентацию и т. д.), образует пространство, а система отношений, отображающая координацию сменяющих друг друга состояний или явлений (последовательность, длительность и т. д.), образует время. Пространство и время являются организующими структурами различных уровней физического познания и играют важную роль в межуровневых взаимоотношениях. Они (или сопряжённые с ними конструкции) во многом определяют структуру (метрическую, топологическую и т. д.) фундаментальных физических теорий, задают структуру эмпирические интерпретации и верификации физических теорий, структуру операциональных процедур (в основе которых лежат фиксации пространственно-временных совпадений в измерит. актах, с учётом специфики используемых физ. взаимодействий), а также организуют физ. картины мира. К такому представлению вёл весь исторический путь концептуального развития

После того, как физики пришли к выводу о волновой природе света возникло понятие эфира - среды в которой свет распространяется. Каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную скорость света огромной твёрдостью и упругостью частиц эфира. Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского абсолютного пространства. Но это шло в разрез с основными положениями доктрины Ньютона о пространстве.

Революция в физике началась открытием Рёмера - выяснилось, что скорость света конечна и равна примерно 300"000 км/с. В 1728 году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. На основе этих открытий было установлено, что скорость света не зависит от движения источника и/или приёмника.

О.Френель показал, что эфир может частично увлекаться движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона (1881 г.) полностью это опроверг.

Таким образом возникла необъяснимая несогласованность, оптические явления всё хуже сводились к механике. Но окончательно механистическую картину мира подорвало открытие Фарадея - Максвелла: свет оказался разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений Максвелла, которые описывают принципиально новые закономерности. Ареной этих законов является всё пространство, а не одни точки, в которых находится вещество или заряды, как это принимается для механических законов.

Так возникла электромагнитная теория материи. Физики пришли к выводу о существовании дискретных элементарных объектов в рамках электромагнитной картины мира (электронов). Основные достижения в области исследования электрических и оптических явлений связаны с электронной теорией Г.Лоренца. Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашёл выход, который спасал абсолютное пространство и время классической механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона, правда ему пришлось отказаться от преобразований координат Галилея и ввести свои собственные, основанные на неинвариантности времени. t"=t-(vx/cэ), где v - скорость движения системы относительно эфира, а х - координата той точки в движущейся системе, в которой производится измерение времени. Время t" он назвал "локальным временем". На основе этой теории виден эффект изменения размеров тел L2/L1=1+(vэ/2cэ). Сам Лоренц объяснил это опираясь на свою электронную теорию: тела испытывают сокращение вследствие сплющивания электронов.

Теория Лоренца исчерпала возможности классической физики. Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных концепций классической физики, отказа от принятия каких - либо выделенных систем отсчёта, отказа от абсолютного движения, ревизии концепции абсолютного пространства и времени. Это было сделано лишь в специальной теории относительности Эйнштейна.

3. Пространство и время в теории относительности Альберта Эйнштейна.

В теории относительности Эйнштейна вопрос о свойствах и структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого эфира. Отрицательные результаты многих экспериментов по обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории относительности - эфир не существует. Отрицание существования эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности скорости света легли в основу теории относительности, которая выступает как синтез механики и электродинамики.

Принцип относительности и принцип постоянства скорости света позволили Эйнштейну перейти от теории Максвелла для покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: " Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из 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:

Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяжённости и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчёта:

В специальной теории относительности функционирует новый закон сложения скоростей, из которого вытекает невозможность превышения скорости света.

Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующех теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца оказываются связанными с новыми свойствами пространства и времени: с относительностью длины и временного промежутка, с равноправностью пространства и времени, с инвариантностью пространственно - временного интервала.

Важный вклад в понятие "равноправность" внёс Г.Минковский. Он показал 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 ошибочным представлять пространственно - временную структуру новой теории как проявление одной лишь концепции относительности. Введение Минковским четырёхмерного формализма помогло выявить аспекты "абсолютного мира", заданного в пространственно - временном континууме.

В теории относительности, как и в классической механике, существуют два типа пространства и времени, которые реализуют субстанциальную и атрибутивную концепции. В классической механике абсолютные пространство и время выступали в качестве структуры мира на теоретическом уровне. В специальной теории относительности аналогичным статусом обладает единое четырёхмерное пространство - время.

Переход от классической механики к специальной теории относительности можно представить так: 1) на теоретическом уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных пространства и времени к абсолютному и субстанциальному единому пространству - времени, 2) на эмпирическом уровне - переход от относительных и экстенсионных пространства и времени Ньютона к реляционному пространству и времени Эйнштейна.

Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию относительности на класс явлений, происходящих в неинерциальных системах отсчёта, это привело к созданию новой теории гравитации, к развитию релятивистской космологии и т.д. Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения физических теорий, в котором первичным выступает теоретический аспект.

Новая теория - общая теория относительности - строилась путём построения обобщённого пространства и перехода от теоретической структуры исходной теории - специальной теории относительности - к теоретической структуре новой, обобщённой теории с последующей её эмпирической интерпретацией. Далее мы рассмотрим представление о пространстве и времени в свете общей теории относительности.

Одной из причин создания общей теории относительности было желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения инерциальной системы отсчёта. Создание новой теории началось с пересмотра концепции пространства и времени в полевой доктрине Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности. Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте, который остался незатронутым. Речь идет о следующем положении специальной теории относительности: "...двум выбранным материальным точкам покоящегося тела всегда соответствует некоторый отрезок определённой длины, независимо как от положения и ориентации тела, так и от времени. Двум отмеченным показаниям стрелки часов, покоящихся относительно некоторой системы координат, всегда соответствует интервал времени определённой величины, независимо от места и времени".

Следует отметить, что в общей теории относительности находит наиболее полное воплощение представление диалектического материализма о пространстве и времени как формах существования материи. Специальная теория относительности не затрагивала проблему воздействия материи на структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн непосредственно обратился к органической взаимосвязи материи, движения, пространства и времени.

Эйнштейн исходил из известного факта о равенстве инертной и тяжёлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходный пункт, на базе которого можно объяснить загадку гравитации. Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил его результат в принцип эквивалентности: " физически невозможно отличить действие однородного гравитационного поля и поля, порождённого равноускоренным движением".

Принцип эквивалентности носит локальный характер и, вообще говоря, не входит в структуру общей теории относительности. Он помог сформулировать основные принципы, на которых базируется новая теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи. Кроме них Эйнштейн выдвинул ряд математических гипотез, без которых невозможно было бы вывести гравитационные уравнения: пространство четырёхмерно, его структура определяется симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть инвариантными относительно группы преобразований координат.

В работе "Относительность и проблема пространства" Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия пространства в общей теории относительности. Согласно этой теории пространство не существует отдельно, как нечто противоположное "тому, что заполняет пространство" и что зависит от координат. "Пустое пространство, т.е. пространство без поля не существует. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство поля".

Для общей теории относительности до сих пор актуальной является проблема перехода от теоретических к физическим наблюдаемым величинам.

Рассмотрим далее два направления, вытекающих из общей теории относительности: геометризацию гравитации и релятивистскую космологию, т.к. с ними связано дальнейшее развитие пространственно-временных представлений современной физики.

Геометризация гравитации явилась первым шагом на пути создания единой теории поля. Первую попытку геометризации поля предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской геометрии. Однако данное направление не привело к успеху. Были попытки ввести пространства более высокой размерности, чем четырёхмерное пространственно-временное многообразие Римана: Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын - бесконечное многообразие. Однако таким путём решить проблему не удавалось.

На пути пересмотра евклидовой топологии пространства - времени строится современная единая теория поля - квантовая геометродинамика Дж. Уитлера. В этой теории обобщение представлений о пространстве достигает очень высокой степени и вводится понятие суперпространства, как арены действия геометродинамики. При таком подходе каждому взаимодействию соответствует своя геометрия, и единство этих теорий заключается в существовании общего принципа, по которому порождаются данные геометрии и "расслаиваются" соответствующие пространства.

Поиски единых теорий поля продолжаются. Что касается квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещё более грандиозная задача - постичь Вселенную и элементарные частицы в их единстве и гармонии. Доэйнштейновские представления о Вселенной можно охарактеризовать следующим образом: Вселенная бесконечна и однородна в пространстве и стационарна 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.

Уже классическая космология требовала пересмотра некоторых фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия. Таких положений в классической космологии четыре: стационарность Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость пространства. Однако в рамках классической космологии преодолеть противоречия не удалось.

Модель Вселенной, которая следовала из общей теории относительности, связана с ревизией всех фундаментальных положений классической космологии. Общая теория относительности отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного пространства - времени. Чтобы построить работающую относительно несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий пересмотр фундаментальных положений классической космологоии: общая теория относительности дополняется космологическим постулатом однородности и изотропности Вселенной. Строгое выполнение принципа изотропности Вселенной ведёт к признанию её однородности. На основе этого постулата в релятивистскую космологию вводится понятие мирового пространства и времени. Но это не абсолютные пространство и время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и изотропными, но в силу евклидовости пространства имели нулевую кривизну. В применении к неевклидову пространству условия однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и здесь возможны три модификации такого пространства: с нулевой, отрицательной и положительной кривизной.

Возможность для пространства и времени иметь различные значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовость пространства и времени однозначно обуславливала её бесконечность. Однако в релятивистской космологии возможен и вариант конечной Вселенной - это соответствует пространству положительной кривизны.

Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмерную сферу - замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако стационарность вступала в противоречие с общей теорией относительности, Вселенная оказалась неустойчивой и стремилась либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это противоречие Эйнштейн ввёл в уравнения теории новый член с помощью которого во Вселенную вводились новые силы, пропорциональные расстоянию, их можно представить как силы притяжения и отталкивания.

Дальнейшее развитие космологии оказалось связанным не со статической моделью 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 наблюдал красное смещение спектра. Оказалось, что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н - постоянная Хаббла, L - расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящее время.

В связи с этим встают две важные проблемы: проблема расширения пространства и проблема начала времени. Существует гипотеза, что так называние "разбегание галактик" - наглядное обозначение раскрытой космологией нестационарности пространственной метрики. Таким образом, не галактики разлетаются в неизменном пространстве, а 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. Гинзбург считает, что "...Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии, которое отвечает началу времени, понятие времени до этого начала лишено физического, да и любого другого смысла".

В релятивистской космологии была показана относительность конечности и бесконечности времени в различных системах отсчёта. Это положение особо чётко отразилось в представлениях о "чёрных дырах". Речь идет об одном из наиболее интересных явлений современной космологии - гравитационном коллапсе.

С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают: "Расширение Вселенной во многих отношениях подобно коллапсу звезды, если не считать того, что направление времени при расширении обратное".

Как "начало" Вселенной, так и процессы в "чёрных дырах" связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством обладают космические тела после пересечения сферы Шварцшильда (условная сфера с радиусом r = 2GM/cэ, где G - гравитационная постоянная, М - масса). Независимо от того, в каком состоянии космический объект пересёк соответствующую сферу Шварцшильда, далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в процессе гравитационного коллапса. После этого от звезды невозможно получить никакой информации, т.к. ничто не может вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время: звезда потухает для удалённого наблюдателя, и в пространстве образуется "чёрная дыра".

Между коллапсирующей звездой и наблюдателем в обычном мире пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится за бесконечностью во времени.

Возникает проблема, связанная с представлением о конечной стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды спрессовывается в точку

(r->0), когда бесконечна плотность материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Это вызывает обоснованное сомнение. Дж. Уитлер считает, что в заключительной стадии гравитацинного коллапса вообще не существует пространства - времени. С. Хокинг пишет: "Сингулярность - это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики, поскольку все они формулируются на основе классического пространства - времени. Этих представлений придерживаются большинство современных космологов.

На заключительных стадиях гравитационного коллапса вблизи сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они должны играть на этом уровне доминирующую роль и могут вообще не допускать сингулярности. Предполагается, что в этой области происходят субмикроскопические флуктуации материи, которые и составляют основу глубокого микромира.

Всё это свидетельствует о том, что понять мегамир невозможно без понимания микромира.

4. Пространство и время в физике микромира

Создание Эйнштейном специальной теории относительности не исчерпывает возможности взаимодействия механики и электродинамики. В связи с объяснением теплового излучения было выявлено противоречие как в истолковании экспериментальных данных, так и в теоретической согласованности этих выводов. Это повлекло за собой рождение квантовой механики. Она положила начало неклассической физике, открыла дорогу к познанию микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманию процессов в недрах звёзд и "начале" Вселенной.

В конце XIX века физики начали исследовать, как распределяется излучение по всему спектру частот. В тот 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. Попытка решить проблему с позиции термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с помощью интерполяции. Полученная Планком формула была очень содержательной, кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h, которую Планк назвал элементарным квантом действия. Справедливость формулы Планка достигалась очень странным для классической физики предположением: процесс излучения и поглощения энергии является дискретным.

C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло представление о корпускулярно - волновом дуализме. Реальная природа света может быть представлена как диалектическое единство волны и частиц.

Однако возник вопрос о сущности и структуре атома. Было предложено множеств о противоречащих друг другу моделей. Выход был найден Н. Бором путём синтеза планетарной модели атома Резерфорда и квантовой гипотезы. Он предположил, что атом может иметь ряд стационарных состояний при переходе в которые поглощается или излучается квант энергии. В самом же стационарном состоянии атом не излучает. Однако теория Бора не объясняла интенсивности и поляризации излучения. Частично с этим удалось справиться с 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. Он выяснил, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и элементарным частотам материи присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929 году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое уравнение, носящее его имя.

Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения Шредингера. Он показал, что это уравнение описывает амплитуду вероятности нахождения частицы в данной области пространства.

Чуть раньше (1925г.) Гейзенбергом была разработана квантовая механика. Формальные правила этой теории основаны на соотношении неопределённостей Гейзенберга: чем больше неопределённость пространственной координаты, тем меньше неопределённость значения импульса частицы. Аналогичное соотношение имеет место для времени и энергии частицы.

Таким образом, в квантовой механике была найдена принципиальная граница применимости классических физических представлений к атомным явлениям и процессам.

Квантовая механика была положена в основу бурно развивающейся физики элементарных частиц, количество которых достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных частиц представления о пространстве и времени столкнулись с ещё большими трудностями. Оказалось, что микромир является многоуровневой системой, на каждом уровне которой господствуют специфические виды взаимодействий и специфические свойства пространственно - временных отношений. Область доступных в эксперименте микроскопических интервалов условно делится на четыре уровня: 1) уровень молекулярно - атомных явлений, 2) уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов, 3) уровень элементарных частиц, 4) уровень ультрамалых масштабов, где пространственно - временные отношения оказываются несколько иными, чем в классической физике макромира. В этой области по-иному следует понимать природу пустоты - вакуум.

В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглощающихся фотонов, электронно- позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривают как особый вид материи - как 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 применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется нулевой её плотностью. Минимум её оказался равным уровню осциллятора hv/2. "Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны, - пишет Я. Зельдович, - мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии". Эта бесконечная энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности, которые ещё предстоит освоить физике.

Продвигаясь вглубь материи, учёные перешагнули рубеж 10 см. и начали исследовать физические процессы в области субатомных пространственно - временных отношений. На этом уровне структурной организации материи определяющую роль играют сильные взаимодействия элементарных частиц. Здесь иные пространственно - временные понятия. Так, специфике микромира не соответствуют обыденные представления о соотношении части и целого. Ещё более радикальных изменений пространственно - временных представлений требует переход к исследованию процессов, характерных для слабых взаимодействий. Поэтому на повестку дня встаёт вопрос о нарушении пространственной и временной чётности, т.е. правое и левое пространственные направления оказываются неэквивалентными.

В этих условиях были предприняты различные попытки принципиально нового истолкования пространства и времени. Одно направление связано с изменением представлений о прерывности и непрерывности пространства и времени, а второе - с гипотезой о возможной макроскопической природе пространства и времени. Рассмотрим более подробно эти направления.

Физика микромира развивается в сложном единстве и взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не только к структуре материи, но и к структуре пространства 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. Был получен неожиданный вывод о существовании антипода электрона - частицы с противоположным электрическим зарядом. В настоящее время известно, что каждой частице в природе соответствует античастица, это обусловлено фундаментальными положениями современной теории и связано с кардинальными свойствами пространства и времени (чётность пространства, отражение времени и т.д.).

Исторически первой квантовой теорией поля была квантовая электродинамика, включающая в себя описание взаимодействий электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это пока единственная ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого уровня развития и известной завершённости. Она является локальной теорией, в ней функционируют заимствованные понятия классической физики, основанные на концепции пространственно - временной непрерывности: точечность заряда, локальность поля, точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятий влечёт за собой существенные трудности, связанные с бесконечными значениями некоторых величин (масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д.).

Эти трудности учёные пытались преодолеть путём введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени. Такой подход намечает единственный выход из неопределённости бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину - основу атомистического пространства.

Позже была построена обобщённая квантовая электродинамика, которая также является локальной теорией, описывающей точечные взаимодействия точечных частиц, что приводит к существенным трудностям. Например, наличие электромагнитного и электронно-позитронного вакуума обуславливает необходимость внутренней сложности, структурности электрона. Электрон поляризует вакуум, и флуктуации последнего создают вокруг электрона атмосферу из виртуальной электронно - позитронной пары.

При этом вполне вероятен процесс аннигиляции исходного электрона с позитроном пары. Оставшийся электрон можно рассматривать как исходный, но в другой точке пространства. Подобная специфика объектов квантовой электродинамики является веским аргументом в пользу концепции пространственно - временной дискретности. В её основе лежит идея о том, что масса и заряд электрона находятся в разных физических полях, отличны от массы и заряда идеализированного (изолированного от мира) электрона. Разность между массами оказывается бесконечной. При оперировании этими бесконечностями их можно выразить через физические константы - заряд и массу реального электрона. Это достигается путём перенормировки теории.

Что касается теории сильных взаимодействий, то там процедуру перенормировки использовать не удаётся. В связи с этим в физике микромира широкое развитие получило направление, связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться двумя методами. При первом 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 частица обладает сложной динамической структурой. Подобная сложная структура микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учёные столкнулись не только со сменой объекта, к которому прилагается свойство элементарности, но и с пересмотром самой диалектики элементарного и сложного в микромире. Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле: они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами. В элементарных частицах сочетаются противоположные свойства элементарного и сложного. Отказ от представлений о точечности взаимодействия влечёт за собой изменение наших представлений о структуре пространства - времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. По мнению некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычные временные отношения "раньше" и "позже". В области нелокального взаимодействия события связаны в некий "комок", в котором они взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно за другим.

Таково принципиальное положение дел, сложившееся в развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенберга и кончая современными нелокальными и нелинейными теориями, где нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве принципа и отмечается, что разграничение пространства - времени на области "малые", где причинность нарушена, и большие, где она выполнена, невозможно без появления в нелокальной теории новой константы размерности длины - элементарной длины. С этим "атомом" пространства связан и элементарный момент времени (хронон), и именно в соответствующей им пространственно - временной области протекает сам процесс взаимодействия частиц.

Теория дискретного пространства - времени продолжает развиваться. Открытым остаётся вопрос о внутренней структуре "атомов" пространства и времени. Существует ли пространство и время в "атомах" пространства и времени? Это одна из версий гипотезы о возможной макроскопичности пространства и времени, которая будет рассмотрена ниже.

Заключение

Взаимосвязь свойств симметрии пространства и времени с законами сохранения физических величин была установлена ещё в классической физике. Закон сохранения импульса оказался тесно связанным с однородностью пространства, закон сохранения энергии - с однородностью времени, закон сохранения момента количества движения - с изотропностью пространства. В специальной теории относительности эта связь обобщается на четырёхмерное пространство-время. Общерелятивистское обобщение последовательно провести пока не удалось.

Серьёзные трудности возникли также при попытке использовать выработанные в классической (в т. ч. релятивистской), т. е. неквантовой, физике понятия пространства и времени для теории описания явлений в микромире. Уже в нерелятивистской квантовой механике оказалось невозможным говорить о траекториях микрочастиц, и применимость понятий пространства и времени к теории описанию микрообъектов была ограничена дополнительно принципом (или неопределённостей соотношением). С принципиальными трудностями встречается экстраполяция макроскопических понятий пространства и времени на микромир в квантовой теории поля (расходимости, отсутствие объединения унитарной симметрии с пространственно-временными, теоремы Уайтмана и Хаага). С целью преодоления этих трудностей был выдвинут ряд предложений по модификации смысла понятий пространства и времени - квантование пространства-времени, изменение сигнатуры метрики пространства и времени, увеличение размерности пространства и времени, учёт его топологии (геометродинамика) и др. Наиболее радикальной попыткой преодоления трудностей релятивистской квантовой теории является гипотеза о неприменимости понятий пространства и времени к микромиру. Аналогичные соображения высказываются также в связи с попытками осмысления природы начала сингулярности в модели расширяющейся горячей Вселенной. Большинство физиков, однако, убеждены в универсальности пространства-времени признавая необходимость существенные изменения смысла понятий пространства и времени

Общность же пространства-времени заключается в том, что они оба связаны с процессами в системе, если характер процессов и внутренняя структура определяют само пространство и его параметры, то динамика внутренних процессов создают эффект времени. Как видим, пространство и время представляют собой лишь разные средства описания одного и того же явления - процессов. Понимая систему как структуру связанных элементов и процессов, протекающих в этой структуре можно сказать, что связи между элементами образуют пути, а процессы, протекающие в этих путях, представляют собой потоки вещества и энергии. При этом элементы системы и связи между ними образуют пространство системы, а динамика потоков вещества и энергии представляет собой время системы. Так для электрической цепи пространство-структура (узлы, контуры, ветви) описывается законами Кирхгофа, а процессы в ветвях описываются законом Ома и его обобщениями. При этом теория расчетов электрических цепей рассматривает одновременно и уравнения процессов и уравнения структуры. Эти уравнения и представляют собой пространство-время, как математическую модель процессов в электрической цепи.

Список литературы

1.Физический энциклопедический словарь - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983;

2. Потёмкин В.К., Симанов А.Л. Пространство в структуре мира, Новосибирск: Наука,-1990;

3. Владимиров Ю. С., Пространство-время: явные и скрытые размерности, М., 1989;

4. Кузнецов В.М. Концепции мироздания в современной физике: учебное пособие для вузов -М: Академия, 2006;

5. Детлаф А.А. Курс физики: учебное пособие для вузов/Детлаф А.А., Яворский Б.М. -М. Академия, 2007.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Развитие представлений о пространстве и времени, их общие свойства. Необратимость времени как проявление асимметрии, асимметрия причинно-следственных отношений. Гипотезы Н.А. Козырева о новых свойствах времени. Теория N–мерности пространства и времени.

контрольная работа , добавлен 05.10.2009

Преобразования Лоренца и основные следствия из них. Четырехмерное пространство Эйнштейна. Расстояние между точками трехмерного пространства. Интервал между двумя событиями. Промежуток собственного времени. События, разделенные вещественным интервалом.

лекция , добавлен 28.06.2013

Положения теории относительности. Релятивистское сокращение длин и промежутков времени. Инертная масса тела. Причинно-следственные связи, пространственно-временной интервал между событиями. Единство пространства и времени. Эквивалентность массы и энергии.

контрольная работа , добавлен 16.12.2011

Физическая теория материи, многомерные модели Вселенной. Физические следствия, вытекающие из теории многомерных пространств. Геометрия Вселенной, свойства пространства и времени, теория большого взрыва. Многомерные пространства микромира и Вселенной.

курсовая работа , добавлен 27.09.2009

Развитие представления о пространстве и времени. Парадигма научной фантастики. Принцип относительности и законы сохранения. Абсолютность скорости света. Парадокс замкнутых мировых линий. Замедление хода времени в зависимости от скорости движения.

реферат , добавлен 10.05.2009

Исследование представлений о времени древних людей и открытий, связанных со временем. Характеристика понятия времени в классической и релятивистской физике. Анализ гипотез о перемещении человека или другого объекта из настоящего в прошлое или будущее.

презентация , добавлен 06.06.2012

Время-объект физического исследования. Время и движение, машина времени. Время и тяготение. Черные дыры: время остановилось. Время осуществляет связь между всеми явлениями Природы. Время обладает разнообразными свойствами, которые можно изучить опытами.

реферат , добавлен 08.05.2003

Преобразования Галилея и Лоренца. Создание специальной теории относительности. Обоснование постулатов Эйнштейна и элементов релятивистской динамики. Принцип равенства гравитационной и инертной масс. Пространство-время ОТО и концепция эквивалентности.

презентация , добавлен 27.02.2012

Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.

статья , добавлен 22.06.2015

Четырехмерное пространство-время. Уравнения Максвелла в пустоте. Пространственные углы Эйлера. Формула опускания индекса контравариантного вектора. Основные законы преобразования тензоров на четырехмерном многообразии. Расстояния между событиями.

Термин пространство понимают, в основном, в двух смыслах:

Рассматриваются в физике и ряд пространств, которые занимают как бы промежуточное положение в этой простой классификации, то есть такие, которые в частном случае могут совпадать с обычным физическим пространством, но в общем случае - отличаться от него (как, например, конфигурационное пространство) или содержать обычное пространство в качестве подпространства (как фазовое пространство , пространство-время или пространство Калуцы).

В теории относительности в её стандартной интерпретации пространство оказывается одним из проявлений единого пространства-времени , и выбор координат в пространстве-времени, в том числе и разделение их на пространственные и временную , зависит от выбора конкретной системы отсчёта . В общей теории относительности (и большинстве других метрических теорий гравитации) в качестве пространства-времени рассматривается псевдориманово многообразие (или, для альтернативных теорий, даже что-то более общее) - более сложный объект, чем плоское пространство, которое может играть роль физического пространства в большинстве других физических теорий (впрочем, практически у всех общепринятых современных теорий есть или подразумевается форма, обобщающая их на случай псевдориманова пространства-времени общей теории относительности, являющейся непременным элементом современной стандартной фундаментальной картины).

Одним из постулатов любой физической теории (Ньютона, ОТО и т. д.) является постулат о реальности того или иного математического пространства (например, Евклидова у Ньютона).

Конечно же, различные абстрактные пространства (в чисто математическом понимании термина пространство ) рассматриваются не только в фундаментальной физике, но и в разных феноменологических физических теориях, относящихся к разным областям, а также на стыке наук (где разнообразие способов применения этих пространств достаточно велико). Иногда случается, что название математического пространства, используемого в прикладных науках, берут в фундаментальной физике для обозначения некоего абстрактного пространства фундаментальной теории, которое оказывается похоже на него некоторыми формальными свойствами, что дает термину и понятию больше живости и (абстрактной) наглядности, приближает хоть как-то немного к повседневному опыту, «популяризирует» его. Так было, например, сделано в отношении упомянутому выше внутреннего пространства заряда сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике , которое назвали цветовым пространством потому, что оно чем-то напоминает цветовое пространство в теории зрения и полиграфии.

См. также

Напишите отзыв о статье "Пространство в физике"

Примечания

Физическое пространство - это уточняющий термин, используемый для разграничения этого понятия как от более абстрактного (обозначаемого в этой оппозиции как абстрактное пространство ), так и для различения реального пространства от слишком упрощенных его математических моделей.
Тут имеется в виду трёхмерное «обычное пространство», то есть пространство в понимании (1), как описано в начале статьи. В традиционных рамках теории относительности стандартным является именно такое употребление термина (а для четырёхмерного пространства Минковского или четырёхмерного псевдориманова многообразия общей теории относительности используется соответственно термин пространство-время ). Однако в более новых работах, особенно если это не может вызвать путаницы, термин пространство употребляют и в отношении пространства-времени в целом. Например, если говорят о пространстве размерности 3+1, имеется в виду именно пространство-время (а представление размерности в виде суммы обозначает сигнатуру метрики , как раз и определяющую количество пространственных и временных координат этого пространства; во многих теориях количество пространственных координат отличается от трёх; существуют и теории с несколькими временными координатами, но последние очень редки). Аналогично говорят «пространство Минковского », «пространство Шварцшильда », «пространство Керра » и т. д.
Возможность выбора разных систем пространственно-временных координат и перехода от одной такой системы координат к другой, аналогичен возможности выбора разных (с разным направлением осей) систем декартовых координат в обычном трёхмерном пространстве, причём от одной такой системы координат можно перейти к другой поворотом осей и соответствующим преобразованием самих координат - чисел, характеризующих положение точки в пространстве относительно данных конкретных декартовых осей. Однако следует заметить, что преобразования Лоренца , служащие аналогом поворотов для пространства-времени, не допускают непрерывного поворота оси времени до произвольного направления, например, ось времени нельзя повернуть до противоположного направления и даже до перпендикулярного (последнему соответствовало бы движение системы отсчета со скоростью света).

Литература

Ахундов М. Д. Концепция пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы. М., «Мысль», 1982. - 222 стр.
Потёмкин В. К., Симанов А. Л. Пространство в структуре мира. Новосибирск, «Наука», 1990. - 176 с.
Мизнер Ч. , Торн К. , Уилер Дж. Гравитация . - М .: Мир, 1977. - Т. 1-3.

Отрывок, характеризующий Пространство в физике

– Sire, tout Paris regrette votre absence, [Государь, весь Париж сожалеет о вашем отсутствии.] – как и должно, ответил де Боссе. Но хотя Наполеон знал, что Боссе должен сказать это или тому подобное, хотя он в свои ясные минуты знал, что это было неправда, ему приятно было это слышать от де Боссе. Он опять удостоил его прикосновения за ухо.
– Je suis fache, de vous avoir fait faire tant de chemin, [Очень сожалею, что заставил вас проехаться так далеко.] – сказал он.
– Sire! Je ne m"attendais pas a moins qu"a vous trouver aux portes de Moscou, [Я ожидал не менее того, как найти вас, государь, у ворот Москвы.] – сказал Боссе.
Наполеон улыбнулся и, рассеянно подняв голову, оглянулся направо. Адъютант плывущим шагом подошел с золотой табакеркой и подставил ее. Наполеон взял ее.
– Да, хорошо случилось для вас, – сказал он, приставляя раскрытую табакерку к носу, – вы любите путешествовать, через три дня вы увидите Москву. Вы, верно, не ждали увидать азиатскую столицу. Вы сделаете приятное путешествие.
Боссе поклонился с благодарностью за эту внимательность к его (неизвестной ему до сей поры) склонности путешествовать.
– А! это что? – сказал Наполеон, заметив, что все придворные смотрели на что то, покрытое покрывалом. Боссе с придворной ловкостью, не показывая спины, сделал вполуоборот два шага назад и в одно и то же время сдернул покрывало и проговорил:
– Подарок вашему величеству от императрицы.
Это был яркими красками написанный Жераром портрет мальчика, рожденного от Наполеона и дочери австрийского императора, которого почему то все называли королем Рима.
Весьма красивый курчавый мальчик, со взглядом, похожим на взгляд Христа в Сикстинской мадонне, изображен был играющим в бильбоке. Шар представлял земной шар, а палочка в другой руке изображала скипетр.
Хотя и не совсем ясно было, что именно хотел выразить живописец, представив так называемого короля Рима протыкающим земной шар палочкой, но аллегория эта, так же как и всем видевшим картину в Париже, так и Наполеону, очевидно, показалась ясною и весьма понравилась.
– Roi de Rome, [Римский король.] – сказал он, грациозным жестом руки указывая на портрет. – Admirable! [Чудесно!] – С свойственной итальянцам способностью изменять произвольно выражение лица, он подошел к портрету и сделал вид задумчивой нежности. Он чувствовал, что то, что он скажет и сделает теперь, – есть история. И ему казалось, что лучшее, что он может сделать теперь, – это то, чтобы он с своим величием, вследствие которого сын его в бильбоке играл земным шаром, чтобы он выказал, в противоположность этого величия, самую простую отеческую нежность. Глаза его отуманились, он подвинулся, оглянулся на стул (стул подскочил под него) и сел на него против портрета. Один жест его – и все на цыпочках вышли, предоставляя самому себе и его чувству великого человека.
Посидев несколько времени и дотронувшись, сам не зная для чего, рукой до шероховатости блика портрета, он встал и опять позвал Боссе и дежурного. Он приказал вынести портрет перед палатку, с тем, чтобы не лишить старую гвардию, стоявшую около его палатки, счастья видеть римского короля, сына и наследника их обожаемого государя.
Как он и ожидал, в то время как он завтракал с господином Боссе, удостоившимся этой чести, перед палаткой слышались восторженные клики сбежавшихся к портрету офицеров и солдат старой гвардии.
– Vive l"Empereur! Vive le Roi de Rome! Vive l"Empereur! [Да здравствует император! Да здравствует римский король!] – слышались восторженные голоса.
После завтрака Наполеон, в присутствии Боссе, продиктовал свой приказ по армии.
– Courte et energique! [Короткий и энергический!] – проговорил Наполеон, когда он прочел сам сразу без поправок написанную прокламацию. В приказе было:
«Воины! Вот сражение, которого вы столько желали. Победа зависит от вас. Она необходима для нас; она доставит нам все нужное: удобные квартиры и скорое возвращение в отечество. Действуйте так, как вы действовали при Аустерлице, Фридланде, Витебске и Смоленске. Пусть позднейшее потомство с гордостью вспомнит о ваших подвигах в сей день. Да скажут о каждом из вас: он был в великой битве под Москвою!»
– De la Moskowa! [Под Москвою!] – повторил Наполеон, и, пригласив к своей прогулке господина Боссе, любившего путешествовать, он вышел из палатки к оседланным лошадям.
– Votre Majeste a trop de bonte, [Вы слишком добры, ваше величество,] – сказал Боссе на приглашение сопутствовать императору: ему хотелось спать и он не умел и боялся ездить верхом.
Но Наполеон кивнул головой путешественнику, и Боссе должен был ехать. Когда Наполеон вышел из палатки, крики гвардейцев пред портретом его сына еще более усилились. Наполеон нахмурился.
– Снимите его, – сказал он, грациозно величественным жестом указывая на портрет. – Ему еще рано видеть поле сражения.
Боссе, закрыв глаза и склонив голову, глубоко вздохнул, этим жестом показывая, как он умел ценить и понимать слова императора.

Весь этот день 25 августа, как говорят его историки, Наполеон провел на коне, осматривая местность, обсуживая планы, представляемые ему его маршалами, и отдавая лично приказания своим генералам.
Первоначальная линия расположения русских войск по Ко лоче была переломлена, и часть этой линии, именно левый фланг русских, вследствие взятия Шевардинского редута 24 го числа, была отнесена назад. Эта часть линии была не укреплена, не защищена более рекою, и перед нею одною было более открытое и ровное место. Очевидно было для всякого военного и невоенного, что эту часть линии и должно было атаковать французам. Казалось, что для этого не нужно было много соображений, не нужно было такой заботливости и хлопотливости императора и его маршалов и вовсе не нужно той особенной высшей способности, называемой гениальностью, которую так любят приписывать Наполеону; но историки, впоследствии описывавшие это событие, и люди, тогда окружавшие Наполеона, и он сам думали иначе.
Наполеон ездил по полю, глубокомысленно вглядывался в местность, сам с собой одобрительно или недоверчиво качал головой и, не сообщая окружавшим его генералам того глубокомысленного хода, который руководил его решеньями, передавал им только окончательные выводы в форме приказаний. Выслушав предложение Даву, называемого герцогом Экмюльским, о том, чтобы обойти левый фланг русских, Наполеон сказал, что этого не нужно делать, не объясняя, почему это было не нужно. На предложение же генерала Компана (который должен был атаковать флеши), провести свою дивизию лесом, Наполеон изъявил свое согласие, несмотря на то, что так называемый герцог Эльхингенский, то есть Ней, позволил себе заметить, что движение по лесу опасно и может расстроить дивизию.
Осмотрев местность против Шевардинского редута, Наполеон подумал несколько времени молча и указал на места, на которых должны были быть устроены к завтрему две батареи для действия против русских укреплений, и места, где рядом с ними должна была выстроиться полевая артиллерия.
Отдав эти и другие приказания, он вернулся в свою ставку, и под его диктовку была написана диспозиция сражения.
Диспозиция эта, про которую с восторгом говорят французские историки и с глубоким уважением другие историки, была следующая:
«С рассветом две новые батареи, устроенные в ночи, на равнине, занимаемой принцем Экмюльским, откроют огонь по двум противостоящим батареям неприятельским.

Марк Ван Раамсдонк (Mark Van Raamsdonk) физик, Университет Британской Колумбии, Ванкувер, Канада Представьте себе, однажды вы просыпаетесь и понимаете, что живете внутри компьютерной игры. Если это так, тогда все вокруг, весь трехмерный мир - это всего лишь иллюзия, информация, закодированная на двумерной поверхности.

Это сделало бы нашу Вселенную с ее тремя пространственными измерениями, своего рода голограммой, источник которой находится в низших измерениях.

Этот «голографический принцип» довольно необычен для теоретической физики. Но Ван Раамсдонк является членом небольшой группы исследователей, которые считают, что это вполне нормально. Просто ни один из столпов современной физики: ни общая теория относительности, которая описывает гравитацию как искривление пространства и времени, ни квантовая механика, не могут объяснить существование пространства и времени. Даже теория струн, описывающая элементарные нити энергии, не может этого сделать.

Ван Раамсдонк и его коллеги убеждены, что необходимо дать конкретное представление понятий пространства и времени, пусть даже такое во многом нелепое, как голография. Они утверждают, что радикальное переосмысление реальности является единственным способом объяснить, что происходит, когда бесконечно плотная сингулярность в центре черной дыры искажает пространство-время до неузнаваемости. Оно так же поможет объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, а этого теоретики пытаются добиться уже не одно десятилетие.

Все наши опыты свидетельствуют о том, что вместо двух полярных концепций реальности, должна быть найдена одна всеобъемлющая теория.

Гравитация как термодинамика

Но ради чего все эти попытки? И как найти то самое «сердце» теоретической физики?

Ряд поразительных открытий, сделанных в начале 1970-х годов, натолкнули на мысль, что квантовая механика и гравитация тесно связаны с термодинамикой.

В 1974 году Стивен Хокинг из Кембриджского университета в Великобритании показал, что квантовые эффекты в космосе вокруг черной дыры могут привести к выбросу излучения высокой температуры. Другие физики быстро отметили, что это явление является довольно общим. Даже в совершенно пустом пространстве астронавт, испытывающий ускорение, будет ощущать вокруг себя тепло. Эффект слишком мал, чтобы его можно было заметить в случае с космическим кораблем, но само по себе предположение казалось фундаментальным. И если квантовая теория и общая теория относительности правильны (что подтверждается экспериментами), то излучение Хокинга действительно существует.

За этим последовало второе ключевое открытие. В стандартной термодинамике объект может излучать тепло только за счет уменьшения энтропии, меры количества квантовых состояний внутри него. То же самое и с черными дырами; еще до появления доклада Хокинга в 1974 году Джейкоб Бекенштейн (Jacob Bekenstein), который в настоящее время работает в Еврейском университете в Иерусалиме, предположил, что черные дыры обладают энтропией. Но есть разница. В большинстве объектов энтропия пропорциональна числу атомов объекта, а значит и объему. Но энтропия черной дыры пропорциональна площади ее горизонта событий, границы, из которой даже свет не может вырваться. Как будто в этой поверхности закодирована информация о том, что внутри (прям как двумерные голограммы кодируют трехмерное изображение).

В 1995 году Тед Джекобсон (Ted Jacobson), физик из Мэрилендского университета в Колледж-Парке, скомбинировал эти два открытия и предположил, что каждая точка в пространстве находится на крошечном «горизонте черной дыры», который также подчиняется пропорции энтропия-площадь. Даже уравнения Эйнштейна удовлетворяют этому условию (естественно, физик оперировал термодинамическими понятиями, а не пространством-временем).

«Возможно, это позволит нам узнать больше о происхождении гравитации», - говорит Якобсон. Законы термодинамики являются статистическими, поэтому его результат позволяет предположить, что гравитация - явление также статистическое (макроскопическое приближение к невидимым компонентам пространства-времени).

В 2010 году эта идея шагнула еще дальше. Эрик Верлинде (Erik Verlinde), специалист по теории струн из университета Амстердама, предположил, что статистическая термодинамика пространственно-временных составляющих могла дать толчок закону Ньютона о гравитационном притяжении.

В другой работе Тану Падманабан (Thanu Padmanabhan), космолог из Межвузовского центра астрономии и астрофизики в Пуне, показал, что уравнения Эйнштейна можно переписать в форме, идентичной законам термодинамики, как и многие другие альтернативные теории тяжести. В настоящее время Падманабан работает над обобщением термодинамического подхода, пытаясь объяснить происхождение и величину темной энергии, таинственной космической силы, ускоряющей расширение Вселенной.

Подобные идеи проверить эмпирически крайне сложно, но не невозможно. Чтобы понять, состоит ли пространство-время из отдельных компонентов, можно провести наблюдение за задержкой фотонов высоких энергий, путешествующих к Земле от далеких космических объектов, таких как сверхновые и γ-всплески.

Сверхновые - звезды, блеск которых увеличивается на десятки звездных величин за сутки. В течение малого периода времени взрывающаяся сверхновая может быть ярче, чем все звезды ее родной галактики.
Существует два типа cверхновых: Тип I и Тип II. Считается, что Тип II является конечным этапом эволюции одиночной звезды с массой М*=10±3Мsun. Тип I связан, по-видимому, с двойной системой, в которой одна из звезд белый карлик, на который идет аккреция со второй звезды.

Гамма-всплески - выбросы гамма-излучения, связанные с самыми высокоэнергетическими взрывами. Изначальное гамма-излучение испускается в течение времени от десятка миллисекунд до нескольких минут, за ним следует послесвечение на более длинных волнах.
Большая часть гамма-всплесков связана с образованием нейтронных звезд и черных дыр после взрывов сверхновых, самые короткие всплески возникают при столкновении двух нейтронных звезд.

В апреле Джованни Амелино-Камелия (Giovanni Amelino-Camelia), исследователь квантовой гравитации из Римского Университета, и его коллеги обнаружили намеки именно на подобные задержки фотонов, идущих от γ-всплеска. Как говорит Амелино-Камелия, результаты не являются окончательными, но группа планирует расширить свои поиски, чтобы зафиксировать время движения нейтрино высоких энергий, создаваемых космическими событиями.

Джованни Амелино-Камелия (Giovanni Amelino-Camelia) исследователь квантовой гравитации, Римский Университет Если теория не может быть проверена, то наука для меня не существует. Она превращается в религиозные убеждения, которые не представляют для меня никакого интереса.

Другие физики концентрируются на лабораторных испытаниях. В 2012 году, например, исследователи из Венского университета и Имперского колледжа Лондона провели настольный эксперимент, в котором микроскопические зеркала перемещаются при помощи лазеров. Они утверждали, что пространство-время в Планковском масштабе приведет к изменению света, отраженного от зеркала.

Петлевая квантовая гравитация

Даже если термодинамический подход верен, он все равно ничего не говорит о фундаментальных составляющих пространства и времени. Если пространство-время представляет собой ткань, то каковы ее нити?

Один из возможных ответов вполне буквален. Теория петлевой квантовой гравитации, которую выдвинул в середине 1980-х Аштекар и его коллеги, описывает ткань пространства-времени как растущую паутину из нитей, которые несут информацию о квантованных площадях и объемах областей, через которые они проходят. Отдельные нити сети должны, в конечном итоге, образовывать петли. Отсюда и название теории. Правда, она не имеет ничего общего с гораздо более известной теорией струн. Последние движутся вокруг пространства-времени, тогда как нити и есть пространство-время, а информация, которую они несут, определяет форму пространственно-временной ткани вокруг них.

Петли - это квантовые объекты, однако, они также определяют минимальную единицу площади и, во многом, таким же образом, как и обычная квантовая механика определяют минимальную энергию электрона в атоме водорода. Попытайтесь вставить дополнительные нити меньшей площади, и они просто отсоединятся от остальной сети и не смогут больше связаться ни с чем.

Они как бы выпадают из пространства-времени.

Петлевая квантовая гравитация
На видео показано, как пространство развивается в петлевой квантовой гравитации. Цвета граней тетраэдров указывают на масштаб области в данной точке в конкретный момент времени.

Минимальная площадь хороша тем, что петлевая квантовая гравитация не может сжать бесконечное количество кривых в бесконечно малую точку. Это означает, что она не может привести к тем особенностям, когда уравнения Эйнштейна рушатся: в момент Большого Взрыва или в центре черных дыр.

Воспользовавшись этим фактом, в 2006 году Аштекар и его коллеги представили серию моделей, в которых повернули время вспять и продемонстрировали то, что было до Большого взрыва. По мере приближения к фундаментальному пределу размера, продиктованному петлевой квантовой гравитацией, сила отталкивания раскрыла и зафиксировала сингулярность открытой, превратив ее в туннель к космосу, предшествующему нашему.

В этом году Родольфо Гамбини (Rodolfo Gambini) из Республиканского Университета Уругвая в Монтевидео и Хорхе Пуйин (Jorge Pullin) из Университета Луизианы в Батон-Руж представили аналогичные модели, но уже для черной дыры. Если двигаться глубоко в сердце черной дыры, то можно обнаружить не сингулярность, а тонкий пространственно-временной туннель, ведущий в другую часть космоса.

Абэй Аштекар (Abhay Ashtekar) физик, Университет штата Пенсильвания, Юниверсити-Парк, штат Пенсильвания Очень важно избавиться от проблемы сингулярности.

Петлевая квантовая гравитация не является полноценной теорией, так как она не содержит никаких других сил. Кроме того, физикам еще предстоит показать, как «получилось» обычное пространство-время из информационной сети. Но Даниэле Орити (Daniele Oriti), физик из Института гравитационной физики Макса Планка в Гольме, надеется найти вдохновение в работе ученых, представивших экзотические фазы материи, которая совершает переходы, описанные квантовой теорией поля. Орити и его коллеги ищут формулы для описания того, как Вселенная могла бы проходить аналогичные фазы от набора дискретных петель к плавному и непрерывному пространству-времени.

Причинный ряд

Разочарования заставили некоторых исследователей придерживаться минималистской программы, известной как теория причинного ряда. Основанная Рафаэлем Соркиным (Rafael Sorkin), теория постулирует, что строительные блоки пространства-времени - это простые математические точки, связанные либо с прошлым, либо с будущим.

Это «скелетное» представление причинности, которая утверждает, что более раннее событие может повлиять на более позднее, но не наоборот. В результате сеть как растущее дерево превращается в пространство-время.

Рафаэль Соркин (Rafael Sorkin) физик, Институт Теоретической Физики «Периметр» в Ватерлоо, Канада Пространство появляется из точки так же, как температура выходит из атома. Нет смысла говорить об одном атоме, значение заключено в их большом количестве.

В конце 1980-х Соркин использовал эту структуру, чтобы представить число точек, которое должна включать Вселенная, и пришел к выводу, что они должны быть причиной малой внутренней энергии, которая ускоряет расширение Вселенной. Несколько лет спустя открытие темной энергии подтвердило его догадку. "Люди часто думают, что квантовая гравитация не может сделать проверяемых предсказаний, но здесь именно тот случай", - говорит Джо Хенсон, исследователь квантовой гравитации из Имперского колледжа в Лондоне. " Если значение темной энергии было бы больше или его не было бы совсем, тогда теория причинного ряда была бы исключена".

Едва ли найдутся доказательства, однако теория причинного ряда предложила несколько других возможностей, которые можно было бы проверить. Некоторые физики обнаружили, что гораздо удобнее использовать компьютерное моделирование. Идея, появившаяся в начале 1990-х, состоит в аппроксимации неизвестных фундаментальных составляющих крошечными кусочками обычного пространства-времени, оказавшимися в бурлящем море квантовых флуктуаций, и наблюдении за тем, как эти кусочки спонтанно соединяются в более крупные структуры.

Рената Лолл (Renate Loll) Первые попытки аппроксимации неизвестных фундаментальных составляющих крошечными кусочками обычного пространства-времени были неудачными. Строительные блоки пространства-времени были простыми гиперпирамидами, четырехмерные прототипы трехмерных тетраэдров, а предполагаемое соединение позволило им свободно комбинироваться. В результате получилась серия странных "вселенных", в которых было слишком много измерений (или слишком мало), часть из них существовала сама по себе, а часть разрушалась. Это была попытка показать то, что нас окружает

Причинная динамическая триангуляция

Причинная динамическая триангуляция использует только два аспекта: пространство и время. На видео показаны двумерные вселенные, порожденные частицей пространства, самоорганизованными в соответствии с квантовыми правилами. Каждый цвет представляет собой срез Вселенной в определенный момент времени после Большого взрыва, который изображен как крошечный черный шар.

Но, как утверждают Соркин, Лолл и ее коллеги, с добавлением причинности все изменилось.

Рената Лолл (Renate Loll) физик, Университет Неймегена, Нидерланды В конце концов, измерение времени не похоже на три измерения пространства. Мы не можем путешествовать назад и вперед во времени, поэтому визуализация была изменена с учетом причинности. Тогда мы обнаружили, что пространственно-временные кусочки начали собираться в четырехмерные вселенные со свойствами, подобными нашей

Интересно, что моделирование также намекает на то, что вскоре после Большого взрыва Вселенная прошла через младенческую фазу только с двумя измерениями: одно пространственное и одно временное. Это заключение было сделано независимо от попыток получить уравнения квантовой гравитации, и даже независимо от тех, кто полагает, что появление темной энергии является признаком того, что в нашей Вселенной появляется четвертое пространственное измерение.

Голография

Между тем, Ван Раамсдонк предложил совсем другое представление о появлении пространства-времени, основанное на голографическом принципе. Голограммоподобный принцип того, что у черных дыр вся энтропия находится на поверхности, был впервые представлен Хуаном Малдасеной (Juan Maldacena), приверженцем теории струн из Института Передовых Исследований в Принстоне. Он опубликовал свою модель голографической Вселенной в 1998 году. В этой модели трехмерный «интерьер» Вселенной включал в себя струны и черные дыры, управляемые исключительно силой тяжести, в то время как ее двумерная граница имела элементарные частицы и поля, подчинявшиеся обычным квантовым законам, а не гравитации.

Гипотетические жители трехмерного пространства никогда бы не увидели эту границу, потому что она была бы бесконечно далеко.

Но это никак не влияет на математику: все, что происходит в трехмерной Вселенной может быть одинаково хорошо описано уравнениями в случае двумерной границы, и наоборот.

В 2010 году Ван Раамсдонк объяснил запутывание квантовых частиц на границе. Это означает, что данные, полученные в одной части, неизбежно скажутся на другой. Он обнаружил, что если каждая частица запутывается между двух отдельных областей границы, она неуклонно движется к нулю, поэтому квантовая связь между ними исчезает, трехмерное пространство начинает постепенно делиться (как клетка) до тех пор, пока не порвется последняя связь.

Таким образом, трехмерное пространство делится снова и снова, в то время как двумерная граница остается «на связи». Ван Раамсдонк заключил, что трехмерная вселенная идет бок о бок с квантовой запутанностью на границе. Это означает, что, в некотором смысле, квантовая запутанность и пространство-время - это одно и то же.

Или, как выразился Малдасена: «Это говорит о том, что квант - явление фундаментальное, а пространство-время зависит от него».