4.4. Концепция пространственно-временных отношений. Физический вакуум

Абстрактно-математическое описание пространственно-временных отношений фактически оформляется только в механистической картине мира. Ньютон вводит абсолютное («божественное») пространство как таковое, которое по своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное пространство есть мера абсолютного пространства или какая-либо подвижная его часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и фактически задается пространственной системой отсчета.

Сведем для наглядности основные свойства пространства в механической картине мира в схеме 27.

Схема 27. Основные свойства пространства в механистической картине мира.

Однородность пространства. Все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, и параллельный перенос не изменяет законов физики.

Изотропность пространства. Все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы физики.

Евклидовость пространства. Описывается геометрией Евклида (

Трехмерность пространства. Каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел – координат.

Непрерывность пространства. Между двумя точками («местами») в пространстве, как бы они близко не располагались, всегда можно выделить третью точку («место»).

Итак, классическое понятие пространства связано с конструктивно-теоретическим моделированием его трехмерным разумным существом – человеком и абстрактно задается вопросами: выше - ниже; вперед - назад; вправо - влево, а оценивается самостоятельными физическими величинами: длина, площадь, объем.

Ньютон определяет и абсолютное (истинное) математическое время как такое понятие, которое само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Нетрудно обнаружить взаимосвязь понятия абсолютного времени с «перводвигателем» – Богом Аристотеля. Глубоко религиозный И. Ньютон в своем знаменитом труде «Математические начала натуральной философии» пытался связать воедино религиозную, философскую и естественнонаучную картины мира в целостной механистической картине мира.

В отличие от абсолютного, относительное время (вводимое разумным существом – человеком) есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: минута, час, день, месяц, год. Понять значение термина время труднее, чем термина пространство, так как его используют в двух значениях: им обозначают не только рассмотренное выше абстрактное понятие, но и физическую величину для количественного оценивания длительности (продолжительности процесса).

Сведем для наглядности основные свойства времени в механистической картине мира в схеме 28.

Схема 28. Основные свойства времени в механистической картине мира.

Однородность времени. Любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в различные моменты времени, протекают одинаково.

Непрерывность времени. Между двумя моментами, как бы близко они не располагались, всегда можно выделить третий. Дискретность времени и пространства носит гипотетический характер в модели гипомира.

Обратимость и необратимость времени. Законы классической механики симметричны относительно прошлого и будущего. Однако включение в механистическую исследовательскую программу равновесной термодинамики, привело к понятию необратимости времени, которую можно рассматривать как следствие второго начала термодинамики или принципа возрастания энтропии.

Основные свойства пространства и времени, систематизированные в схемах 27 и 28, используются не только в механистической, но и в других картинах мира, но при этом происходит объединение пространства и времени в специальной теории относительности, а также появление новых геометрий в общей теории относительности. Эволюция принципов относительности от Галилея до Эйнштейна и дополняющих постулатов приведена в лекции №3 в рамках механистической, электромагнитной и современной эволюционной картин мира. Исходя из концепции единства (целостности) пространственно-временных отношений в природе сгруппируем соответствующие пространственно-временные представления по теориям относительности, задав тем самым релятивистскую программу в схеме 29.

Схема 29. Основные пространственно-временные представления в релятивистской исследовательской физической программе.

Специальная теория относительности (СТО) Промежуток времени и расстояние оказываются относительными к выбору ИСО. Неизменным (инвариантным) относительно ИСО оказывается только четырехмерный пространственно-временной интервал между событиями: . Пространственные интервалы относительны, что проявляется в Лоренцевом сокращении размеров тел в направлении движения: . Временные интервалы относительны, что проявляется в том, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных: .

Общая теория относительности (ОТО) Пространство искривляется, становится неэвклидовым, по крайней мере, вблизи массивных тел и наблюдается гравитационное смещение и искривление солнечных лучей вблизи таких тел. Изменение геометрических свойств пространства-времени вблизи массивных тел приводит к появлению сильных гравитационных полей. Вблизи массивных тел время замедляет свой ход и даже в центре планет время течет медленнее, чем на поверхности.

Основополагающий вывод. Пространство-время является выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не может.

Взаимосвязь целостного пространства-времени с материей обуславливает и новые подходы к релятивистской динамике, что приводит к видоизменению формул для фундаментальных характеристик физических объектов, объединению законов сохранения импульса и энергии в единый закон сохранения импульса-энергии, а также к новому виду уравнения гравитации А. Эйнштейна. Систематизируем эти релятивистские формулы в схеме 30.

Схема 30. Основные формулы динамики релятивистской исследовательской физической программы.

Формулы фундаментальных физических величин Релятивистский импульс: . Полная энергия: . Энергия покоя: .

Связь между энергией и импульсом. , эта формула инвариантна относительно ИСО и фактически задает целостный закон сохранения импульса-энергии.

Основное уравнение релятивистской динамики: .

Уравнение гравитации А. Эйнштейна (в словесной формулировке) Пространственно-временная метрика = Плотность всех форм материи

Подчеркнем, что в современной физике нет такого понятия как пустое пространство. В действительности пространство – среда со сложной внутренней структурой, называемая физическим вакуумом. Эта среда гетерогенна и состоит из нескольких подсистем. И каждая подсистема ответственна за то или иное свойство окружающего нас макроскопического мира. Основная цель исследований на коллайдере как раз и состоит в изучении этой вакуумной среды. И здесь важны два свойства – масса элементарных частиц как энергетическая мера взаимодействия квантов поля с физическим вакуумом и необратимость времени, которая заложена на уровне соответствующего взаимодействия. По мере возрастания энергии коллайдеров открываются новые подсистемы и элементы структуры гетерогенного физического вакуума, простирающиеся от размера протона (10^-15 м) до масштаба квантовой гравитации (10^-35 м). Энергетические возможности коллайдера позволяют изучить две вакуумные подсистемы – кварк-глюонный конденсат со структурой 10^-15 м и хигговский конденсат со структурой 10^-18 м. Делается также попытка за счет искажения свойств бозона Хиггса найти носителей массы темной материи.

5. . Фундаментальный принцип симметрии. Фундаментальные законы сохранения

Краткие определения симметрии, асимметрии и диссимметрии нами были приведены в лекции №3 (3.4).

Важнейший результат фундаментальности принципа симметрии в теоретической физике связан с именем выдающейся женщины-математика Амалии Эмми Нетер (Noether) (1882-1935).

В 1918 г. Нетер доказала фундаментальную теорему, которая утверждает, что существование любой конкретной симметрии – в пространстве-времени, степенях свободы элементарных частиц и физических полей – приводит к соответствующему закону сохранения, причем из этой же теоремы следует и конкретная структура сохраняющейся величины. Из теоремы Нетер, в частности, следуют:

- из инвариантности относительно сдвига во времени (сдвиговая симметрия, выражающая физическое свойство равноправия всех моментов времени, однородность времени) – закон сохранения энергии;

- из инвариантности относительно пространственных сдвигов (свойство равноправия всех точек пространства, однородность пространства) – закон сохранения импульса или количество движения;

- из инвариантности относительно пространственного вращения (осевая симметрия, свойство равноправия всех направлений в пространстве, изотропность пространства) – закон сохранения момента импульса или момента количества движения.

Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса, как и законы Ньютона, выполняются в любых инерциальных системах отсчета. Другими словами, эти законы удовлетворяют механическому принципу относительности.

С законами сохранения энергии, импульса и момента импульса взаимосвязаны идеи, принципы и законы механики. Однако, их особая роль не ограничивается механистической картиной мира, видоизменяясь в конкретных проявлениях. Включая в себя новые представления о материи, движении и взаимодействии, законы сохранения энергии, импульса и момента импульса входят в электромагнитную и квантово-полевую картины мира, приобретая фундаментальный характер.

При этом к принципу симметрии Э. Нетер добавился принцип П. Кюри, согласно которому, когда несколько различных явлений природы накладываются друг на друга, образуя одну систему, то их диссимметрии (понижения симметрии) складываются.

Объединяя оба принципа симметрии, можно кратко их сущность выразить так: «Симметрия задает фундаментальные законы сохранения, диссимметрия творит явление», в частности, путем объединения системной структуры материальных объектов с их взаимодействиями, а также в современной эволюционной картине мира, задавая ее как адаптационное, так и особенно явно скачкообразное развитие и самоорганизацию.

Если в рамках физических картин мира можно увеличить число фундаментальных законов сохранения, в частности, за счет законов сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов, то в астрофизике диссимметрия привела к полной асимметрии вещества и антивещества. Более того в природе асимметрия встречается достаточно часто. Отметим только некоторые яркие примеры: биологические молекулы асимметричны; асимметрия вещества над антивеществом; слабые взаимодействия могут нарушать как обращение времени, так и отражение пространства, т.е. обратимость времени и симметричность: «право» - «лево». В макро- и мегамире сама эволюционная «стрела времени» необратима, т.е. задается триадой: «рождение – развитие – гибель».

Следуя Р. Фейману, мы можем сказать, что истинное объяснение приблизительной симметрии мира состоит в следующем: «боги (явления природы – вставка наша) сотворили свои законы только приблизительно симметричными, чтобы мы не завидовали их совершенству!»