4. Пространственно-временная структура мира

Первым и непосредственным определением природы является то, что она существует в пространстве и во времени. Обычное пространство, которое так хорошо известно нам из повседневной жизни, представляется нам некое вместилище предметов, разделенных расстояниями и упорядоченных друг относительно друга. Наш опыт свидетельствует, что с удалением каких-то тел из пространства оно не исчезает, а расстояние между оставшимися предметами сохраняется, если их положение остается прежним. Так что можно говорить, что пространство не совпадает с природой, но составляет необходимую форму ее существования.

Расстояние обычно ассоциируется у нас со способом его измерения. Всем известно, что для измерения расстояния берется какая-то единица длины, а затем считается, какое минимальное число этих единиц можно физически или мысленно уложить на данном расстоянии. Конечно, под расстоянием мы понимаем не только то, что можно измерить метром, его долями или единицами, большими, чем метр, скажем километрами. В понятие расстояния мы включаем и такие расстояния, которые измеряются косвенным путем, например, методом триангуляции в астрономии.

Вопрос о положении тел в пространстве, хотя и тесно связан с вопросом измерения расстояний, имеет другой смысл. Когда говорят о положении какого-то тела, то под этим понимают, что это положение определяют относительно другого тела или системы отсчета. В качестве такой системы может выступать каждый из нас. Ведь какие-то предметы могут находиться либо ближе, либо дальше от нас, одни предметы правее нас, другие левее, третьи спереди нас и т.д. В механике или физике систему отсчета выбирают таким образом, чтобы достичь максимально возможного упрощения исследования явлений природы. Когда выбрана система отсчета, порядок расположения тел в этой системе определяется геометрическими методами. Они были обнаружены в процессе изучения пространственных соотношений и форм реальных предметов.

Каждый из нас хорошо представляет собой, что такое время. Но дать ему строгое определение – задача чрезвычайно трудная. «Быть может, следует признать тот факт, - пишет Р. Фейнман,- что время – это одно из понятий, которое определить невозможно, а просто сказать, что это нечто известное нам: это то, что отделяет два последовательных события!»¹.

Время отражает необратимость и упорядоченность событий природы. «Роняешь чашку, - приводит примеры Р. Фрейнман, - она разбивается, и сколько не жди, черепки не соберутся снова, и чашка не прыгнет обратно тебе в руки. А на берегу, где разбиваются волны, можно долго стоять и напрасно ждать того великого момента, когда пена соберется в волну, встанет над морем и покатится все дальше от берега…»¹.

Время течет от прошлого через настоящее к будущему, и эти моменты времени психологически воспринимается по-разному. Для прошлого у нас существует память, а для будущего – свобода воли. Мы уверены, что каким-то образом можем влиять на будущее, но никто из нас не думает, что можно изменить прошлое. Для прошлого у нас есть лишь гордость, раскаяние или сожаление, для будущего – уверенность, надежда или пессимизм.

Люди издавна научились измерять время с помощью периодических следующих друг за другом процессов. Скажем, наблюдая регулярное следование дня за ночью, они догадались, что если сложить длительность дня и ночи, то получаются сутки, которые одинаковые во все времена года. Затем, сравнивая сутки с другими периодическими процессами, скажем, замечая сколько раз за сутки отклонится и возвращается назад маятник, люди нашли способ измерения частей суток. Так первоначальную величину времени: сутки разделили на часы, часы на минуты, минуты на секунды и появились маятниковые часы. Измерять больше времени легче, нужно просто считать дни. Так появляются другие единицы времени: год, век и т.д.

Для представления времени, в котором происходит какое-то явление, обычно выбирают начальный момент времени, а затем считают, сколько единиц времени укладывается в длительность изучаемого явления. Полученному числу приписывают знак + или знак - в зависимости от того, рассматривают ли изучаемое явление после или до выбранного начального момента.

Повседневный опыт свидетельствует, что время не перестает течь, если какие-то процессы не происходят. Скажем, если за полярным кругом во время лета господствует день, то это вовсе не значит, что там останавливается время. Это приводит к мысли, что существует пустая длительность, нечто внешнее по отношению к происходящему в природе, и, подобно тому как пространство – простое вместилище тел, время – простое вместилище событий.

Такое представление об абсолютном пространстве и абсолютном времени было высказано еще в Демокритом. Атомы, по его мнению, движутся в пустоте вечно, так что пустота – это и есть абсолютное пространство, а вечность, т.е. абсолютное время, может заполнять или не заполнять поток событий. Эти представления об абсолютном пространстве и времени хорошо укладываются в ньютоновскую картину природы, согласно которого космос – это гармония бесконечного множества небесных тел, движение которых определяются законом всемирного тяготения, сохранения энергии и другими законами. Богу в этой картине космоса отводится лишь роль перводвигателя, который подобно часовому мастеру дает ход созданным часам.

Однако параллельно с демокритовскими представлениями о пространстве и времени как о таких, которые являются внешними для природы, формировалось представление о них как о свойствах самих вещей и процессов. Уже Аристотель высказал идею, что пространство – это сумма мест, занимаемых телами, а время – это сумма длительностей реальных процессов. Наиболее полно эту мысль выразил Лейбниц. В своей полемике с Кларком - учеником Ньютона, Лейбниц определил пространство как порядок сосуществования тел, а время как порядок смены событий. Эта идея в какой-то мере противоречила нашему повседневному опыту. Если полностью отказаться от «пустых» пространств и времен, то исчезает специфика пространства и времени по сравнению с материальными объектами и процессами. Более того, если предположить, что пространство и время сводятся к соотношениям между предметами и явлениями, то они должны были бы зависеть от любых изменений в мире, что в повседневном опыте и практике научного исследования того времени не наблюдалось. Наконец признание пространства и времени как свойств предметов и явлений открывало возможность их субъективно- идеалистического истолкования. Так Дж. Беркли наглядно продемонстрировал, что пространство и время можно мыслить как свойство наших ощущений. Вслед за ним И. Кант представил пространство и время как априорные категории человеческого разума, организующие чувственное восприятие действительности.

Большое влияние на развитие представлений о пространстве оказало открытие Лобачевским и Бойяи неевклидовой геометрии. В отличие от евклидовой геометрии, хорошо известной нам со школьной скамьи, в ней допускалось, что через точку вне прямой можно провести не одну, а сколько угодно прямых, параллельных этой прямой. Хотя с логической точки зрения новая геометрия была построена безупречно, она долго не признавалась, так как физический опыт свидетельствовал в пользу геометрии Евклида. Но тот же физический опыт, в конце концов, привел на рубеже ХІХ–ХХвв. к неожиданным результатам. Физики, открывая законы, стремились доказать, что они симметричны относительно пространственно-временного переноса. Грубо говоря, эта симметрия должна была выражаться в том, что если какой-то опыт повторить в другом месте и в другое время при сохранении всех остальных условий опыта, то его результаты должны полностью совпадать с полученными раннее. Таким путем они доказывали общность физических теорий. Однако на практике при изучении процессов, близких к скорости света, скажем, электромагнитных волн, этого не происходило. Расстояния оказывались зависимыми от того, измеряются ли они в неподвижной или движущейся относительно первой системы отсчета. То же самое происходило со временем. В движущейся системе отсчета оно замедлялось. Чтобы сохранить симметрию законов природы, физикам пришлось признать, что пространство и время не являются независимыми друг от друга и от предметов. Специальная теория относительности организовала пространственную и временную протяженность в одно целое, а общая теория относительности, сверх того, объединила в одно целое пространственно-временную протяженность с распределением и движением масс. Геометрия, таким образом, превратилась в часть физики и должна была расти и развиваться вместе с нею на экспериментальной основе. Затем было обнаружено, что результаты измерения расстояний и времени зависят не только от наблюдателя и имеют разные величины в зависимости от системы отсчета, в которой он производит наблюдение. Оказалось, что законы природы не позволяют выполнить абсолютно точные измерения расстояний или интервалов времени. Ошибка в определении положения предмета в силу неопределенности Гейзенберга не может быть меньше,

чем Δ х = , где h – малая величина, называемая «постоянной Планка», а Δ р – ошибка в измерении импульса (масса, умноженная на скорость) этого предмета. Измерение интервалов времени также не могут быть точнее,

чем Δt= , где ΔЕ – ошибка в измерении энергии того процесса, продолжительностью которого мы интересуемся. Эта неопределенность времени, так же как и неопределенность положения, связана с волновой природой вещества.

Итак, физическое пространство и время оказываются одними из существеннейшими атрибутами природы. Природа существует в пространстве и времени, но образующие ее предметы и процессы оказывают на них существенное влияние, определяя их метрику.

Математики, которые любят придавать своим рассуждениям общую форму, разработали n-мерную геометрию, из которой получаются все теоремы обычной геометрии, еслиnпридать значение, равное 3. Она оказалась очень удобной для описания многих процессов, характеризующимися совместным изменениям большого числа параметров, и нашла свое практическое применение во многих науках. Многие науки даже дали особые названия этому пространству и мы сейчас говорим о биологическом пространстве и времени об экономическом пространстве и т.п.