5.3.2. Концепция пространства

Концепция пространства, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вытекало определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Первая законченная теория пространства - геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории.

Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени, и в данном смысле пространство в этой геометрии - идеальное математическое пространство.

Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым, существуя независимо от наличия в нем физических тел и являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства подобного пространства определяются Евклидовой геометрией.

Такое представление о пространстве до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

5.3.3. Концепция времени

Принцип работы часов может быть основан на многих физических явлениях и процессах.

Наиболее удобны периодические процессы, длительно повторяющиеся с высокой степенью точности, например, вращение Земли вокруг своей оси, электромагнитное излучение возбужденных атомов и т.п.

Для измерения времени могут быть использованы и непериодические процессы, происходящие по известному временному закону.

В более строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально.

В процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло утверждение:

1. Абсолютное время не имеет физического смысла, оно - лишь идеальное математическое представление, ибо в природе нет реального физического процесса, пригодного для измерения абсолютного времени. Во-первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т.е. возникает релятивистское замедление времени. Во-вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. В некоторой системе отсчета можно говорить только о локальном времени. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи, оно течет с различной скоростью в различных физических условиях.

2.Время всегда относительно. Однако абсолютное время и время относительное взаимосвязаны законами сохранения симметрии. Относительное время всегда связано с какой-то Мерой времени, которая по сравнению с используемой может считаться абсолютной.

Однако пространство и время тесно взаимосвязаны между собой. Если с пространством отождествить структурный аспект, а со временем функциональный аспект, то мы можем осознать единство Пространства и Времени. И эта взаимосвязь проявляется в принципе инвариантности: "смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов".

Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т.е. изменения ряда физических условий.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Из свойства однородности пространства следует, например, закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от момента начала падения тела.

Из однородности времени следует, например, закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем.

Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства - его изотропности.

Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

Из изотропности пространства следует еще один фундаментальный закон природы - закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882-1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса.

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А. Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея, распространяющегося на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциональных системах отсчета.

Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы. Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.

Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения, - результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства - времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства - времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс в этих областях и их движения.

В основе современной концепции пространства - времени лежат два основных их свойства - абсолютность и относительность.

Таким образом, пространство-время на каждом уровне иерархии характеризуется единством внешнего (абсолютного) и внутреннего (относительного). В результате на всех уровнях иерархии каждое пространство-время характеризуется соразмерностью с любым другим пространством-временем.