5.2. Концепции формы существования материи

В современном естествознании формы существования материи рассматриваются как физические сущности, обладающие конкретными свойствами, структурой и измерениями.

Одна из форм существования материи, обладающая несколькими измерениями: например, шириной, длиной, высотой, долготой, временем это пространство-время.

Долгое время под пространством понимали особое пустое вместилище, в котором могут находиться какие-либо тела.

Аристотель полагал, что пространство заполнено тонкой материей, непрерывно движущейся.

Ньютон открыл новые свойства пространства, изучая движение перемещающихся тел (пространство – независимо существующая субстанция, способная динамически действовать на материальные тела).

В 1905 г. Эйнштейн предложил специальную теорию относительности (СТО), которая отражала форму существования материи. СТО опирается на следующие постулаты:

1) скорость света в вакууме постоянна во всех инерциальных системах и не зависит от движения наблюдателя или источника света;

2) все физические явления происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно, т.е. во всех инерциальных системах.

В теории относительности пространство 4-х мерное: три меры размерные (ширина, длина, высота), четвертая мера временная. Иногда говорят, что это пространственно-временные координаты, понимая под пространством старое, только размерное содержание.

В 1916 году Эйнштейн включил СТО в свою общую теорию относительности (ОТО) или обобщенную теорию тяготения.

Свойства пространства и времени в его теории определяются распределением и движением материи в пространстве.

При наличии в пространстве тяготеющих масс, а следовательно и поля тяготения, пространство искривляется. В нём невозможно применение евклидовой, плоскостной геометрии.

Хотя соотношение между количеством материи и степенью кривизны простое, но расчеты – для описания кривизны в каждой точке сложны. Для этих расчётов нужно знать значения двадцати функций пространственно-временных координат.

Половина из них определяются той частью кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, а другая половина определяется распределением масс, энергии, импульса, углового момента, внутренних напряжений в веществе и значения универсальной гравитационной постоянной G.

Из-за малости величины G масса тел должна быть достаточно большой, чтобы существенно изогнуть пространство.

Величина 1/G, названная мерой жесткости пространства, показывает, что пространство очень жесткое.

С точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения.

То есть поле тяготения определяет отклонение свойств реального пространства от свойств плоского евклидова пространства.

Функциональный элемент: Натянутая ткань пространства прогибается телами. Чем больше масса тел, тем глубже прогиб, и тем быстрее в этот прогиб скатываются соседние тела. Так представляет пространство теория тяготения Эйнштейна.

Движение точки происходит по геодезической линии искривленного пространства, и не является прямолинейным и равномерным.

Теорию Эйнштейна можно считать на сегодняшний день теорией Вселенной в целом.

Мы существуем и способны воспринимать только в пространстве четырёх измерений (три размерных и одна временная).

С одной стороны это объясняется минимальной энергией, потребной для существования в таком пространстве.

С другой стороны, как показал Эренфест в 1917 году, «закон обратных квадратов» по которому действуют друг на друга гравитационные массы или электрические заряды обусловлен трех мерностью размерного пространства.

В пространстве с четырьмя измерениями частицы взаимодействовали бы по закону обратной степени. Тогда планеты упали бы на Солнце, и другие движения потеряли бы устойчивость. А временные промежутки перестали бы подчинятся причинно-следственному закону.

Отсюда следует, что трех мерность размерного пространства связана с законом тяготения.

В 20 веке в физике создано более двадцати альтернативных теорий тяготения.

Время связано с обычной, повседневной жизнью. Оно непосредственно доступно нашему сознанию. В житейском смысле время понимается как переход из прошлого в будущее. В.И. Даль определяет время как длительность бытия, пространство в бытии; последовательность событий.

Понимание времени, в непрерывном движении, наглядно выразил Гераклит: «Все течет, все изменяется», «В одну реку нельзя войти дважды»

Первая физическая теория времени дана Ньютоном, он ставил время первым среди основных понятий физики.

Он различал абсолютное время, как идеальную меру длительности всех механических процессов, и относительное время, как кажущееся, обыденное - меру продолжительности: час, день, год.

А. Эйнштейн рассматривал пространство и время как характеристики физических явлений.

Во – первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При скорости близкой к скорости света время замедляется, то есть возникает релятивистское замедление времени.

Во- вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени.

Важная особенность времени выражена в постулате времени - одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время.

Время имеет направление. Наблюдаемые события происходят в определенной последовательности: от прошлого к будущему.

Это можно проиллюстрировать на законе причинно следственной связи.

Известно, что любое событие начинается только тогда, когда есть к этому причина, т.е. в начале события всегда стоит причина (даже «смех без причины – признак дурачины»).

Известно, также, что любое событие заканчивается следствием. При этом, очевидно, что следствие не может быть раньше причины, потому что для его формирования необходима информация от причины. Иначе следствие «не знает» каким ему быть.

Вот почему время развития события направлено от причины к следствию и никогда наоборот.

Эту направленность времени называют «стрелой времени».

Функциональный элемент: Время необратимо в отличие от размерных величин пространства: длины, ширины, высоты. Стрела времени всегда направлена от причины к следствию.

Это свойство времени относится к одной из важных изучаемых проблем в естествознании как единого континуума «пространство-время».

В ХХ веке продолжались попытки пойти путем Эйнштейна, который ввел четырехмерное пространство- время.

Так в 1919 г. Т. Калуца предложил ввести 5 измерение (неощущаемые нами измерения пространства свернуты до очень малых размеров, в 10²⁰ раз меньше размера атомного ядра). Предложенное Калуцой пятое измерение хотя и не наблюдаемо, но возможно.

Эти идеи получили развитие в 1970- х годах в теориях Великого объединения (ТВО) и супергравитации. Ю. Б. Румер показал, что пятому измерению можно придать смысл действия. Была предпринята попытка представить наглядно пятое измерение – выдвигались гипотезы о существовании параллельных миров. Во всех мирах, имеющих от трех до пяти измерений, даже одна причина, хотя бы случайная, может породить несколько следствий.

Шестимерная Вселенная, построенная Л.Р. Бартини, советским авиаконструктором, включает три пространственных измерения и три временных (длительность- длина, количество вариантов - ширина, скорость времени в каждом из возможных миров - высота).

В рамках одной из современных теорий супергравитации использованы 11 измерений (7- минимально скрытых измерений пространства-времени, а 4 – обычные).

В начале 1990-х годов используются 26 мерные модели измерения. Наряду с супергравитацией разрабатывается теория суперструн. Космические струны- это экзотические невидимые образования, порожденные теорией элементарных частиц. Обсуждаются понятия «торсионных полей», «суперсилы» и др.

Современная физика пытается соединить и интерпретировать совместно четыре существующих в природе взаимодействия как начало начал. «Овладев суперсилой, - писал английский физик Пол Дэвис, - мы могли бы менять структуры пространства и времени…, манипулировать размерностью самого пространства».

К сожалению, большинство предлагаемых теорий относится к разряду научной фантастики, но они полезны уже тем, что будят мысль и поддерживают интерес к естествознанию.