Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
CHAPTER5.DOC
Скачиваний:
3
Добавлен:
13.11.2018
Размер:
124.42 Кб
Скачать

269

V. Космологическая проблема

Рассказывают такой анекдот. В Берлине иностранец останавливает прохожего и, желая узнать который час, на плохом немецком языке спрашивает: “Что есть время?” Немец призадумался и вскоре ответил: “Вы знаете, это очень глубокий вопрос. Вот я еще хотел бы знать, что такое пространство”.

Но это анекдот. Однако можно привести и реальные исторические свидетельства трудности такого рода, казалось бы, простых вопросов. Например, Августин Блаженный говорил: “Пока никто меня о времени не спрашивает, я понимаю нисколько не затрудняясь, но как скоро хочу дать ответ об этом, я становлюсь совершенно в тупик.” Действительно, понятия пространства и времени, являясь древнейшими понятиями человеческой культуры, проходят через всю историю науки и философии, оставаясь и сегодня средоточием глубоких философских и научных проблем.

Понятия пространства и времени лежат в основе формулировки так называемой космологической проблемы — вопроса о вселенной, конечности или бесконечности ее, и ее происхождении. В современной науке мы имеем строгую физическую теорию пространства и времени — теорию относительности, созданную трудами главным образом А.Эйнштейна. И может быть с вопросом о том, что такое пространство и время, целесообразнее всего обратиться к такому знатоку этого предмета как А.Эйнштейн.

1. Две концепции пространства и времени.

Незадолго до своей смерти А.Эйнштейн откликнулся на просьбу известного историка науки Макса Джаммера, подготовившего к печати книгу “Понятие пространства”, и написал к ней предисловие “О понятии пространства”.

“Что касается пространства, — пишет А.Эйнштейн, — то, по-видимому, ему предшествовало психологически более простое понятие места. Место есть прежде всего (малая) часть земной поверхности, которой присваивается какое-либо название. Вещь, “место” которой определяется, есть “материальный предмет”, или тело. Простой анализ показывает, что “место” является также группой материальных предметов. Далее Эйнштейн ставит ключевой вопрос: “ Имеет ли слово “место” значение независимое от материальных предметов и можно ли приписывать ему такое значение?”. Если дается положительный ответ на этот вопрос, мы приходим к первой концепции — концепции абсолютного пространства и времени. Ее еще называют субстанциальной концепцией пространства и времени. Она дает нам представление о пространстве и времени как о некоторых самостоятельных и самодовлеющих сущностях, существующих независимо друг от друга и от материи, независимо от мира и в некотором смысле до мира. Отсюда и определения их: абсолютные и субстанциальные.

К этой концепции пространства и времени, несмотря на ее столь высокий философский статус можно очень легко прийти, отправляясь от нашего повседневного опыта. Как продолжает А.Эйнштейн, к ней мы приходим путем естественного расширения понятия “пространство” ящика (в котором содержится то или иное количество зерен риса или вишен). В итоге возникает независимое (абсолютное) пространство, не ограниченное по протяженности (бесконечное), в котором содержатся все материальные предметы. В этом случае материальный предмет, не расположенный в пространстве, просто непонятен; с другой стороны, при таком образовании понятия вполне мыслимо существование пустого пространства. Отсюда проистекают наши обычные представления о всеобщности пространства как универсальной формы — вместилище бытия.

Все сказанное здесь о пространстве следует повторить в отношении времени. Время — чистая абсолютная длительность, протекающая от века независимо от событий в мире, со своим собственным изначальным и неизменным ритмом.

Эта концепция абсолютного пространства и времени является естественным результатом обобщения повседневного опыта человека, исторически, по-видимому, самой первой и наидревнейшей. А.Эйнштейн связывает ее с именем Демокрита. Действительно, творцу атомистической концепции, согласно которой вся реальность сводится к совокупности далее неделимых материальных частиц, в силу существа самой этой концепции потребовалось ввести представление о необходимом условии существования так понимаемой материи - пустоте также имеющей статус самостоятельной геометрической сущности, обладающей собственными свойствами: трехмерной протяженностью, однородностью, изотропностью, бесконечностью и т.п.

Сразу скажем, что эта концепция абсолютного пространства и времени, родившись в повседневном опыте человека, оказалась весьма удобной для обобщения на ее основе навигационного опыта мореплавателей и в особенности наблюдений за движением небесных тел. Великое историческое оправдание этой концепции пространства и времени мы находим в классической механике, ибо она лежит в ее основе. Действительно, И.Ньютон с самого начала постулирует существование абсолютного пространства и абсолютного времени в своих знаменитых “Математических началах натуральной философии”. В этой связи нужно отметить выдающееся значение этой концепции в возведении всего здания классической науки и становлении классического рационализма.

И.Ньютон, правда, вводит также понятия относительного пространства и относительного времени. Однако понимает их как некие фрагменты абсолютного пространства и времени как бы вырезаемые из этих абсолютных сущностей выбором той или иной системы отсчета, так что эти выражения его не имеют никакого отношения к современной концепции пространства и времени, утвердившейся в теории относительности.

Отметим, наконец, наиболее существенные недостатки концепции абсолютного пространства и времени. Первый и, может быть, наиболее важный из них — это вводимый в этой концепции абсолютный разрыв между материей (реальностью) и пространством и временем. Пространство само по себе и время само по себе могут существовать и тогда, когда нет ничего их наполняющего, никакой материи, атомов и т.д. Это так называемое пустое пространство и столь же “пустое” время. Вследствие этого разрыва оказывается невозможным дать какое-либо объяснение тем или иным свойствам пространства: почему пространство трехмерно, однородно, изотропно, бесконечно? Почему время одномерно, однородно, однонаправленно, всегда течет от прошлого через настоящее к будущему, необратимо? В концепции абсолютного пространства и времени эти их свойства (как и другие) нужно просто принять как изначально им присущие: и в силу вводимого разрыва между материей и пространством и временем нет никакой надежды на какое-либо естественное их объяснение. Да и само содержание этих понятий также остается достаточно темным: некие изначальные геометрические формы бытия. Такова необходимая плата за абсолютность пространства и времени и таковы последствия ее принятия.

Однако наряду с такой концепцией абсолютного пространства и времени в истории науки известна и другая, в некотором смысле прямо противоположная концепция — концепция реляционного пространства и времени. Согласно А.Эйнштейну к ней приходят, давая отрицательный ответ на вопрос: “имеет ли слово “место” значение независимое от материальных предметов?” В этом случае пространство предстает как вид порядка материальных объектов и ничего больше. Следовательно, с этой точки зрения пространство не имеет никакого самостоятельного существования, возникает как система отношений на множестве материальных объектов и существует лишь постольку, поскольку существуют эти объекты и отношения, создаваемые ими. В общем виде это будут отношения метрические, отношения порядка и — наиболее общие — отношения топологические. А.Эйнштейн связывает эту концепцию пространства и времени с именем Аристотеля. Действительно, Аристотель был противником существования пустоты, пространства самого по себе. Движение тел он понимал как своеобразный обмен “местами” между ними, так что одно движущееся тело как бы уступает “место” другому и т.д. Пространство же Аристотель понимал как совокупность границ объемлющих и объемлемых тел, т.е. говоря современным языком, именно как систему отношений, создаваемых множеством сосуществующих материальных тел. Точно также и время есть не что иное, как отношения последовательности и смены событий в их множествах. Такова суть реляционной концепции пространства и времени, согласно которой пространство и время полностью лишаются какого-либо самостоятельного статуса и суть порождения материи и ее движения, а именно — состояния множественности, дифференцированности материи и объективно протекающих в ней каких-либо изменений.

Интересно отметить, что сторонниками такой точки зрения на природу пространства и времени были , помимо Аристотеля, Лейбниц и Гегель.

Отличительной особенностью реляционной концепции пространства и времени является то, что и сами пространство и время, и все их свойства являются полностью производными от материи и ее движения и следовательно должны быть выведены и объяснены из свойств физических тел и их взаимодействий. Однако вплоть до начала ХХ века реляционная концепция пространства и времени оставалась в стороне от магистральной линии развития науки и это ее преимущество по сравнению с концепцией абсолютного пространства и времени оставалось не востребованным.

К концу Х1Х в. собственное развитие классической механики привело к постановке задачи объединения в единой системе механики описания электромагнитных и механических процессов. Решающим испытанием концепции абсолютного пространства и времени явились эксперименты по обнаружению абсолютного движения — движения относительно мирового эфира, универсальной мировой Среды, заполняющей все мировое пространство, с состоянием которой отождествлялось абсолютное пространство и которая предполагалась ответственной за перенос электромагнитных процессов. Эти опыты (из них наиболее известны эксперименты Майкельсона-Морли) дали отрицательный результат. Таким образом абсолютное пространство и абсолютное движение относительно такого пространства оказались фикциями с экспериментальной точки зрения.

С другой стороны, надежно установленный факт постоянства скорости света в разных системах отсчета и учет операционной природы пространственно-временных и других механических величин привели к появлению новых по сравнению с Галилеевыми преобразований, в которых понятия длины, длительности, одновременности, а также массы и импульса оказались относительными величинами, зависящими от выбора системы отсчета и скорости ее движения:

l = l0 ; ;

;

Здесь величины с индексом 0 соответствуют их значениям в покоящейся системе отсчета, те же величины без индекса соответствуют их значениям в системе отсчета движущейся со скоростью v, скорость света обозначена через c. Эти преобразования названы Лоренцовыми, по имени К.Лоренца впервые предложившего их.

На смену обнаружившим свою относительность длинам и временным отрезкам, игравшим роль инвариантов в ньютоновской механике, пришел новый инвариант

— четырехмерная величина, представляющая “расстояние” в четырехмерном мире событий, объединяющем пространство и время (здесь ct — геометризованная форма представления времени).

Возникла проблема поиска физического смысла этих и им подобных новых преобразований. Она была решена с созданием специальной теории относительности, в которой был осуществлен последовательный переход от концепции абсолютного пространства и времени к реляционной концепции и с точки зрения которой все эти и им подобные — так называемые релятивистские преобразования — не связаны с какими-либо физически-субстациальными ( или субстратными) изменениями в движущихся телах, а имеют сугубо кинематическую природу и зависят от выбора наблюдателем системы отсчета.

Оказалось, что понятие “длина” (или “длительность”) не есть какая-то существующая сама по себе, самостоятельная характеристика объекта (или явления), а выражает только о т н о с и т е л ь н ы е значения соответствующих характеристик объекта, какими он обладает только в данной системе отношений с другими объектами и процессами, представленной данной системой отсчета. В других системах отсчета тот же объект будет характеризоваться другими значениями “длин” и “длительности” и т.д. Для длины движущегося стержня в соответствии с преобразованием Лоренца

l = l0

возникает целый континуум возможных значений его длин от собственной длины lо (в системе отсчета с ним связанной, в которой стержень покоится) и до значения l = 0 при условии достижения скоростью движения стержня v скорости света c. И все эти возможные значения длины стержня между lо и 0 являются вполне равноправными и строго объективными и зависят единственно от выбора скорости движения стержня.

Однако концепция реляционной природы пространства и времени и сам принцип относительности были реализованы в рамках специальной теории относительности в ограниченном виде: только применительно к инерциальным, т.е. движущимся с постоянными скоростями или покоящимися системам. Что касается взаимоотношения понятий пространства и времени, то в рамках СТО на смену взятым порознь пространству и времени, обнаружившим свою относительность, пришло в качестве абсолютной геометрической сущности пространственно-временное многообразие, обладающее абсолютной, неизменной и вполне определенной, а именно — эвклидовой, метрикой. А доказавший свою эффективность и плодотворность новый физический принцип — принцип относительности был реализован только применительно к покоющимся или равномерно движущимся — т.е. инерциальным системам отсчета. Дальнейшее утверждение реляционной концепции пространства и времени в современной науке связано с созданием общей теории относительности (ОТО).

А.Эйнштейн задался целью распространить принцип относительности и на неинерциальные (т.е. произвольно движущиеся) системы отсчета. Если мы будем рассматривать в плоском эвклидовом пространстве инерционно движущуюся (по прямой и с равномерной скоростью) ракету, то она может быть выведена из такого состояния двумя способами: включением ее двигателей (т.е. путем придания ей ускорения) или появлением возле нее достаточно большой массы (например, кометы, планеты или любого другого космического тела), создающей заметное поле тяготения, также переводящее инерционно движущееся тело в неинерциальное состояние. Итак в плоском эвклидовом пространстве-времени СТО могут быть два источника неинерциального состояния: поля ускорения и поля тяготения. Спрашивается, насколько это разные источники?

А.Эйнштейн в поисках путей распространения принципа относительности на неинерциальные системы отсчета в качестве отправного пункта избрал известный еще Галилею принцип эквивалентности инертной и тяжелой массы. (В наше время этот принцип подтвержден, в частности в экспериментах Брагинского В.Б. в Московском университете, с высокой степенью точности и фактически ни у кого не вызывает сомнения). Это позволило Эйнштейну сопоставить полям тяготения поля ускорения, а поля ускорения, в свою очередь, отождествить с искривлением пространства-времени вблизи больших масс. Таким путем он пришел к теории, в которой поле тяготения как определенная физическая сущность в пространстве-времени исчезает, оказавшись полностью геометризованным и замечательным образом представленным просто метрическими свойствами самого пространства-времени.

В результате инерционно (т.е. без каких-либо внешних воздействий) движущееся тело в таком искривленном пространстве будет двигаться уже не по эвклидовым прямым, а по так называемым геодезическим линиям, представляющим собой кратчайшие расстояния в таком пространстве.

Здесь уместно подчеркнуть глубокую и в настоящее время еще не до конца понятную связь между пространством-временем и полем тяготения. В свое время А.Эйнштейн так писал об этом в статье “Эфир и принцип относительности”:

Если мы будем с точки зрения гипотезы о существовании эфира рассматривать поле тяготения и электромагнитное поле, то мы заметим между ними замечательную принципиальную разницу. Не может быть пространства, а также и части пространства без потенциалов тяготения; последние сообщают ему его размерные (метрические) свойства; — без них оно вообще немыслимо. Существование поля тяготения непосредственно связано с существованием пространства. Напротив очень легко представить себе любую часть пространства без электромагнитного поля; в противоположность полю тяготения электромагнитное поле некоторым образом только вторично связано с эфиром, причем внешняя природа электромагнитного поля совершенно не определяется природой поля тяготения.

Во всяком случае на сегодня благодаря теории относительности мы твердо знаем, что пространство и время являются вторичными по отношению к материи и ее состоянию дифференцированности, множественности. Эти понятия выражают отношения, которые складываются на множестве материальных объектов, обладающих конечной массой покоя, ибо только на множестве таких объектов эти отношения могут быть физически верифицированы, например, с помощью обмена световыми сигналами; и только с объектом с конечной массой покоя может быть связана имеющая физический смысл система отсчета. Таким образом, действительно не может быть пространства, а также и части пространства без масс и без потенциалов тяготения, сообщающих пространству его размерные (метрические) свойства. Все “собственные” свойства пространства-времени оказались относительными и производными от свойств физических процессов и свойств материальных объектов и среди них важнейшего — массы.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]