Реферат: Пространство и время в физике
Министерство науки, высшей школы и техническойполитики
Российской федерации
Саратовский ордена трудового красного знаменигосударственный
университет им. Н. Г. Чернышевского
РЕФЕРАТ ПО ФИЛОСОФИИ
соискателя звания к.ф.-м.н.
инженера кафедры физики твёрдого тела
Бабаяна Андрея Владимировича.
Тема: Пространство и время в физике.
г.Саратов — 1994 г.
1
СОДЕРЖАНИЕ
лист
ВВЕДЕНИЕ 2
1. Развитие пространственно-временных представлений
в классическоймеханике 3
2. Пространство и время в теории относительности
Альберта Эйнштейна 8
2.1. Специальная теорияотносительности 8
2.2. Пространство и время в общей теории
относительности и релятивистской
космологии 10
3. Пространство и время в физикемикромира 15
3.1. Пространственно-временные представления
квантовоймеханики 15
3.2. Прерывность и непрерывность пространства и
времени в физикемикромира 18
3.3. Проблема макроскопичности пространства и
времени вмикромире 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23
ЛИТЕРАТУРА 24
2
ВВЕДЕНИЕ.
Диалектический материализм исходит из того, что«в мире
нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не
может двигаться иначе, как в пространстве и во времени»(*).
Пространство и время, следовательно, выступаютфундаментальными
формами существования материи. Классическая физика
рассматривала пространственно — временной континуум как
универсальную арену динамики физических объектов. Однако
развитие неклассической физики ( физики элементарных частиц,
квантовой физики и др. ) выдвинуло новые представления о
пространстве и времени. Оказалось, что эти категориинеразрывно
связаны между собой. Возникли разные концепции: согласноодним,
в мире вообще ничего нет, кроме пустого искривленного
пространства, а физические объекты являются толькопроявлениями
этого пространства. Согласно другим, пространство и время
присущи лишь макроскопическим объектам.
Как видно, современная физика настолько разрослась и
потеряла единство, что в ее различных разделах существуютпрямо
противоположные утверждения о природе и статусепространства и
времени. Этот факт требует тщательного исследования, так как
может показаться, что представления современной физики
противоречат фундаментальным положениям диалектического
материализма.
Правда, следует отметить, что в современнойфизике речь
идет о пространстве и времени как о физических понятиях,как о
конкретных математических структурах, наделенных
соответствующими семантическими и эмпирическимиинтерпретациями
в рамках оределённых теорий, и что выяснение макроскопичности
подобных структур не имеет прямого отношения к положению
диалектического материализма об универсальностипространства и
времени, так как в этом речь идет уже о философскихкатегориях.
Начинать исследование целесообразно с представлений
античной натурфилософии, анализируя затем весь процессразвития
пространственно — временных представлений вплоть до нашихдней.
ДДДДДДДДД
(*) Ленин В.И. ПСС, т. 18, с. 181.
3
1. РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО — ВРЕМЕННЫХ
ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ.
В анализе античных доктрин о пространстве и времени
остановимся на двух: атомизме Демокрита и системеАристотеля.
Атомистическая доктрина была развита материалистами
Древней Греции Левкиппом и Демокритом. Согласно этой доктрины,
всё природное многообразие состоит из мельчайших частичек
материи ( атомов ), которые двигаются, сталкиваются и
сочетаются в пустом пространстве. Атомы ( бытие ) и пустота (
небытие ) являются первоначалами мира. Атомы не возникаюти не
уничтожаются, их вечность проистекает из безначальности
времени. Атомы двигаются в пустоте бесконечное время.
Бесконечному пространству соответствует бесконечноевремя.
Сторонники этой концепции полагали, что атомы физически
неделимы в силу плотности и отсутствия в них пустоты.Множество
атомов, которые не разделяются пустотой, превращаютсяв один
большой атом, исчерпывающий собой мир.
Сама же концепция была основана на атомах,которые в
сочетании с пустотой образуют всё содержание реальногомира. В
основе этих атомов лежат амеры ( пространственный минимум
материи ). Отсутствие у амеров частей служит критерием
математической неделимости. Атомы не распадаются на амеры, а
последние не существуют в свободном состоянии. Этосовпадает с
представлениями современной физики о кварках.
Характеризуя систему Демокрита как теотиюструктурных
уровней материи - физического ( атомы и пустота ) и
математического ( амеры ), мы сталкиваемся с двумя
пространствами: непрерывное физическое пространство как
вместилище и математическое пространство, основанное наамерах
как масштабных единицах протяжения материи.
В соответствии с атомистической концепциейпространства
Демокрит решал вопросы о природе времени и движения. В
дальнейшем они были развиты Эпикуром в систему. Эпикур
рассмотривал свойства механического движения исходя из
дискретного характера пространства и времени. Например,
свойство изотахии заключается в том, что все атомыдвижутся с
одинаковой скоростью. На математическом уровне суть изотахии
состоит в том, что в процессе перемещения атомы проходят один
«атом» пространства за один «атом»времени.
Таким образом, древнегреческие атомисты различалидва типа
пространства и времени. В их представлениях былиреализованы
4
субстанциальная и атрибутивная концепции.
Аристотель начинает анализ с общего вопроса о
существовании времени, затем трансформирует его в вопрос о
существовании делимого времени. Дальнейший анализ времени
ведётся Аристотелем уже на физическом уровне, где основное
внимание он уделяет взаимосвязи времени и движения. Аристотель
показывает. что время немыслимо, не существует бездвижения, но
оно не есть и само движение.
В такой модели времени реализована реляционнаяконцепция.
Измерить время и выбрать единицы его измерения можно спомощью
любого периодического движения, но, для того чтобыполученная
величина была универсальной, необходимо использоватьдвижение с
максимальной скоростью. В современной физике это скорость
света, в античной и средневековой философии — скоростьдвижения
небесной сферы.
Пространство для Аристотеля выступает в качественекоего
отношения предметов материального мира, оно понимается как
объективная категория, как свойство природных вещей.
Механика Аристотеля функционировала лишь в егомодели
мира. Она была построена на очевидных явлениях земногомира. Но
это лишь один из уровней космоса Аристотеля. Его
космологическая модель функционировала в конечном неоднородном
пространстве, центр которого совпадал с центром Земли. Космос
был разделен на земной и небесный уровни. Земной состоит из
четырёх стихий - земли, воды, воздуха и огня; небесный - из
эфирных тел, пребывающих в бесконечном круговом движении.
Эта модель просуществовала около двух тысячелетий.
Однако в системе Аристотеля были и другиеположения,
которые оказались более жизнеспособными и во многомопределили
развитие науки вплоть до настоящего времени. Речь идёт о
логическом учении Аристотеля на основе которого были
разработаны первые научные теории, в частности геометрия
Евклида.
В геометрии Евклида наряду с определениями иаксиомами
встечаются и постулаты, что свойственно больше физике, чем
арифметике. В постулатах сформулированы те задачи,которые
считались решёнными. В таком подходе представлена модель
теории, которая работает и сегодня: аксиоматическая система и
эмпирический базис связываются операционными правилами.
Геометрия Евклида является первой логической системой понятий,
трактующих поведение каких-то природных объектов. Огромной
заслугой Евклида является выбор в качестве объектов теории
5
твёрдого тела и световых лучей.
Г.Галилей вскрыл несостоятельность аристотелевскойкартины
мира как в эмпирическом, так и в теоретико-логическомплане. С
помощью телескопа он наглядно показал насколькоглубоки были
революционные представления Н. Коперника, который развил
гелиоцентрическую модель мира. Первым шагом развития теории
Коперника можно считать открытия И.Кеплера:
1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном изфокусов
которого находится Солнце.
2. Площадь сектора орбиты, описуваемая радиус-векторомпланеты,
изменяется пропорционально времени.
3. Квадраты времён обращения планет вокруг Солнцаотносятся как
кубы их средних расстояний от Солнца.
Галилей, Декарт и Ньютон рассматривали различныесочетания
концепций пространства и инерции: у Галилея признаётсяпустое
пространство и круговое инерциальное движение, Декартдошёл до
идеи прямолинейного инерциального движения, но отрицалпустое
пространство, и только Ньютон объединил пустоепространство и
прямолинейное инерциальное движение.
Для Декарта не характерен осознанный и систематический
учёт относительности движения. Его представленияограничены
рамками геометризации физических объектов, ему чужда
ньютоновская трактовка массы как инерциального сопротивления
изменению. Для Ньютона же характерна динамическая трактовка
массы, и в его системе это понятие сыгралоосновопологающую
роль. Тело сохраняет для Декарта состояние движения илипокоя,
ибо это требуется неизменностью божества. То же самое
достоверно для Ньютона вследствие массы тела.
Понятия пространства и времени вводятся Ньютоном на
начальном уровне изложения, а затем получают своёфизическое
содержание с помощью аксиом через законы движения.Однако они
предшествуют аксиомам, так как служат условием дляреализации
аксиом: законы движения классической механики справедливы
в инерциальных системах отсчёта, которые определяются как
системы, движущиеся инерциально по отношению кабсолютному
пространству и времени. У Ньютона абсолютное пространство и
время являются ареной движения физических объектов.
После выхода в свет «Начал» Ньютонафизика начала активно
развиваться, причём этот процесс происходил на основе
механистического подхода. Однако, вскоре возниклиразногласия
между механикой и оптикой, которая не укладывалась в
классические представления о движении тел.
6
После того, как физики пришли к выводу о волновойприроде
света возникло понятие эфира - среды в которой свет
распространяется. Каждая частица эфира могла бытьпредставлена
как источник вторичных волн, и можно было объяснить огромную
скорость света огромной твёрдостью и упругостью частицэфира.
Иными словами эфир был материализацией Ньютоновского
абсолютного пространства. Но это шло в разрез сосновными
положениями доктрины Ньютона о пространстве.
Революция в физике началась открытием Рёмера — выяснилось,
что скорость света конечна и равна примерно 300'000км/с. В
1728 году Брэдри открыл явление звёздной аберрации. Наоснове
этих открытий было установлено, что скорость света независит
от движения источника и/или приёмника.
О.Френель показал, что эфир может частичноувлекаться
движущимися телами, однако опыт А.Майкельсона (1881 г.)
полностью это опроверг. Таким образом возникла необъяснимая
несогласованность, оптические явления всё хуже сводились к
механике. Но окончательно механистическую картину мира
подорвало открытие Фарадея — Максвелла: свет оказался
разновидностью электромагнитных волн. Многочисленные
экспериментальные законы нашли отражение в системе уравнений
Максвелла, которые описывают принципиально новые
закономерности. Ареной этих законов является всёпространство,
а не одни точки, в которых находится вещество илизаряды, как
это принимается для механических законов.
Так возникла электромагнитная теория материи. Физики
пришли к выводу о существовании дискретных элементарных
объектов в рамках электромагнитной картины мира(электронов).
Основные достижения в области исследованияэлектрических и
оптических явлений связаны с электронной теориейГ.Лоренца.
Лоренц стоял на позиции классической механики. Он нашёлвыход,
который спасал абсолютное пространство и время классической
механики, а также объяснял результат опыта Майкельсона,правда
ему пришлось отказаться от преобразований координатГалилея и
ввести свои собственные, основанные на неинвариантности
времени. t'=t-(vx/cэ), где v — скорость движения системы
относительно эфира, а х — координата той точки вдвижущейся
системе, в которой производится измерение времени. Времяt' он
назвал «локальным временем». На основе этойтеории виден эффект
изменения размеров тел L2/L1=1+(vэ/2cэ). Сам Лоренц объяснил
это опираясь на свою электронную теорию: тела испытывают
сокращение вследствие сплющивания электронов.
7
Терия Лоренца исчерпала возможности классическойфизики.
Дальнейшее развитие физики было на пути ревизии фундаментальных
концепций классической физики, отказа от принятия каких- либо
выделенных систем отсчёта, отказа от абсолютногодвижения,
ревизии концепции абсолютного пространства и времени.Это было
сделано лишь в специальной теории относительностиЭйнштейна.
_______
8
2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА.
2.1. Специальная теория относительности.
В теории относительности Эйнштейна вопрос освойствах и
структуре эфира трансформируется в вопрос о реальности самого
эфира. Отрицательные результаты многих экспериментов по
обнаружению эфира нашли естественное объяснение в теории
относительности — эфир не существует. Отрицание существования
эфира и принятие постулата о постоянстве и предельности
скорости света легли в основу теории относительности,которая
выступает как синтез механики и электродинамики.
Принцип относительности и принцип постоянстваскорости
света позволили Эйнштейну перейти от теорииМаксвелла для
покоящихся тел к непротиворечивой электродинамике движущихся
тел. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и
промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что
понятие одновременности лишено смысла: "Два события,
одновременные при наблюдении из одной координатнойсистемы, уже
не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из
системы, движущейся относительно данной". Возникает
необходимость развить теорию преобразования координат ивремени
от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно
движущейся относительно первой. Эйнштейн пришел кформулировке
преобразований Лоренца:
x-vt t-vx/cэ
x'=ДДДДДДДДД , y'=y, z'=z, t'=ДДДДДДДДДД,
ы1-vэ/cэ ы1-vэ/cэ
где x, y, z, t — координаты в одной системе, x', y', z',t' — в
другой.
Из этих преобразований вытекает отрицаниенеизменности
протяжённости и длительности, величина которых зависит от
движения системы отсчёта:
________ dt0
l=l0ы1-vэ/cэ, dt=ДДДДДДДДДД
ы1-vэ/cэ
В специальной теории относительности функционирует новыйзакон
сложения скоростей, из которого вытекает невозможность
превышения скорости света.
Коренным отличием специальной теорииотносительности от
предшествующех теорий является признание пространства и
времени в качестве внутренних элементов движенияматерии,
9
структура которых зависит от природы самого движения,является
его функцией. В подходе Эйнштейна преобразования Лоренца
оказываются связанными с новыми свойствами пространства и
времени: с относительностью длины и временногопромежутка, с
равноправностью пространства и времени, с инвариантностью
пространственно — временного интервала.
Важный вклад в понятие «равноправность»внёс Г.Минковский.
Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени,
которые оказались компонентами единого четырёхмерного
континуума. Разделение на пространство и время не имеетсмысла.
Пространство и время в специальной теорииотносительности
трактуется с точки зрения реляционной концепции. Однакобыло бы
ошибочным представлять пространственно — временнуюструктуру
новой теории как проявление одной лишь концепции
относительности. Введение Минковским четырёхмерногоформализма
помогло выявить аспекты «абсолютного мира», заданного в
пространственно — временном континууме.
В теории относительности, как и в классическоймеханике,
существуют два типа пространства и времени, которыереализуют
субстанциальную и атрибутивную концепции. В классической
механике абсолютные пространство и время выступали вкачестве
структуры мира на теоретическом уровне. В специальнойтеории
относительности аналогичным статусом обладает единое
четырёхмерное пространство — время.
Переход от классической механики к специальнойтеории
относительности можно представить так: 1) на теоретическом
уровне - это переход от абсолютных и субстанциальных
пространства и времени к абсолютному и субстанциальномуединому
пространству — времени, 2) на эмпирическом уровне — переход от
относительных и экстенсионных пространства и времениНьютона к
реляционному пространству и времени Эйнштейна.
Однако, когда Эйнштейн пытался расширить концепцию
относительности на класс явлений, происходящих в
неинерциальных системах отсчёта, это привело к созданию новой
теории гравитации, к развитию релятивистской космологиии т.д.
Он был вынужден прибегнуть к помощи иного метода построения
физических теорий, в котором первичным выступает теоретический
аспект.
Новая теория — общая теория относительности — строилась
путём построения обобщённого пространства и перехода от
теоретической структуры исходной теории — специальной теории
относительности — к теоретической структуре новой,обобщённой
10
теории с последующей её эмпирической интерпретацией.Далее мы
рассмотрим представление о пространстве и времени в светеобщей
теории относительности.
2.2. Пространство и время в общей теории
относительности и в релятивистскойкосмологии.
Одной из причин создания общей теорииотносительности было
желание Эйнштейна избавить физику от необходимости введения
инерциальной системы отсчёта. Создание новой теорииначалось с
пересмотра концепции пространства и времени в полевойдоктрине
Фарадея - Максвелла и специальной теории относительности.
Эйнштейн акцентировал внимание на одном важном пункте,который
остался незатронутым. Речь идет о следующем положении
специальной теории относительности: "… двум выбранным
материальным точкам покоящегося тела всегдасоответствует
некоторый отрезок определённой длины, независимо как от
положения и ориентации тела, так и от времени. Двумотмеченным
показаниям стрелки часов, покоящихся относительнонекоторой
системы координат, всегда соответствует интервал времени
определённой величины, независимо от места ивремени".
Следует отметить, что в общей теорииотносительности
находит наиболее полное воплощение представление
диалектического материализма о пространстве и времени как
формах существования материи. Специальная теория
относительности не затрагивала проблему воздействия материи на
структуру пространства-времени, а в общей теории Эйнштейн
непосредственно обратился к органической взаимосвязиматерии,
движения, пространства и времени.
Эйнштейн исходил из известного факта о равенствеинертной
и тяжёлой масс. Он усмотрел в этом равенстве исходныйпункт, на
базе которого можно объяснить загадку гравитации.
Проанализировав опыт Этвеша, Эйнштейн обобщил егорезультат в
принцип эквивалентности: " физически невозможно отличить
действие однородного гравитационного поля и поля,порождённого
равноускоренным движением".
Принцип эквивалентности носит локольный характер и,вообще
говоря, не входит в структуру общей теорииотносительности. Он
помог сформулировать основные принципы, на котрых базируется
новая теория: гипотезы о геометрической природегравитации, о
взаимосвязи геометрии пространства-времени и материи.Кроме них
Эйнштейн выдвинул ряд матаматических гипотез, безкоторых
11
невозможно было бы вывести гравитационные уравнения:
пространство четырёхмерно, его структура опрелеляется
симметричным метрическим тензором, уравнения должны быть
инвариантными относительно группы преобразованийкоординат.
В работе «Относительность и проблема пространства»
Эйнштейн специально рассматривает вопрос о специфике понятия
пространства в общей теории относительности.Согласно этой
теории пространство не существует отдельно, как нечто
противоположное «тому, что заполняет пространство» и что
зависит от координат. «Пустое пространство, т.е.пространство
без поля не существует. Пространство-время существуетне само
по себе, а только как структурное свойство поля».
Для общей теории относительности до сих порактуальной
является проблема перехода от теоретических к физическим
наблюдаемым величинам. Теория предсказала и объяснила три
общелелятивистских эффекта: были предсказаны и вычислены
конкретные значения смещения перегелия Меркурия, было
педсказано и обнаружено отклонение световых лучей звёздпри их
прохождении вблизи Солнца, был предсказан и обнаруженэффект
красного гравитационного смещения частоты спектральныхлиний.
Рассмотрим далее два направления, вытекающих изобщей
теории относительности: геометризацию гравитации и
релятивистскую космологию, т.к. с ними связанодальнейшее
развитие пространственно-временных представлений современной
физики.
Геометризация гравитации явилась первым шагомна пути
создания единой теории поля. Первую попыткугеометризации поля
предприняв Г.Вейль. Она осуществлена за рамками римановской
геометрии. Однако данное направление не привело куспеху. Были
попытки ввести пространства более высокойразмерности. чем
четырёхмерное пространственно-временное многообразие Римана:
Калуца предложил пятимерное, Клейн - шестимерное, Калицын —
бесконечное многообразие. Однако таким путём решитьпроблему не
удавалось.
На пути пересмотра евклидовой топологиипространства —
времени строится современная единая теория поля — квантовая
геометродинамика Дж. Уитлера. В этой теории обобщение
представлений о пространстве достигает очень высокойстепени и
вводится понятие суперпространства, как арены действия
геометродинамики. При таком подходе каждомувзаимодействию
соответствует своя геометрия, и единство этих теорий
заключается в существовании общего принципа, по которому
12
порожнаются данные геометрии и «расслаиваются»соответствующие
пространства.
Поиски единых теорий поля продолжаются. Чтокасается
квантовой геометродинамики Уитлера, то перед ней стоит ещё
более грандиозная задача — постичь Вселенную и элементарные
частицы в их единстве и гармонии.
Доэйнштейновские представления о Вселенной можно
охарактеризовать следующим образом: Вселенная бесконечна и
однородна в пространстве и стационарна во времени.Они были
заимствованы из механики Ньютона — это абсолютныепространство
и время, последнее по своему характеру Евклидово. Такая модель
казалась очень гармоничной и единственной. Однако первые
попытки приложения к этой модели физических законов иконцепций
привели к неестественным выводам.
Уже классическая космология требовала пересмотранекоторых
фундаментальных положений, чтобы преодолеть противоречия.Таких
положений в классической космологии четыре:стационарность
Вселенной, её однородность и изотропность, евклидовость
пространства. Однако в рамках классической космологии
преодолеть противоречия не удалось.
Модель Вселенной, которая следовала из общей теории
относительности, связана с ревизией всех фундаментальных
положений классической космологии. Общая теорияотносительности
отождествила гравитацию с искривлением четырёхмерного
пространства — времени. Чтобы построить работающуюотносительно
несложную модель, учёные вынуждены ограничить всеобщий
пересмотр фундаментальных положений классическойкосмологоии:
общая теория относительности дополняется космологическим
постулатом однородности и изотропности Вселенной.
Строгое выполнение принципа изотропности Вселеннойведёт к
признанию её однородности. На основе этого постулата в
релятивистскую космологию вводится понятие мирового
пространства и времени. Но это не абсолютныепространство и
время Ньютона, которые хотя тоже были однородными и
изотропными, но в силу евклидовости пространства имелинулевую
кривизну. В применении к неевклидову пространству условия
однородности и изотропности влекут постоянство кривизны, и
здесь возможны три модификации такого пространства: снулевой,
отрицательной и положительной кривизной.
Возможность для пространства и времени иметьразличные
значения постоянной кривизны подняли в космологии вопрос
конечна Вселенная или бесконечна. В классической космологии
13
подобного вопроса не возникало, т.к. евклидовостьпространства
и времени однозначно обуславливала её бесконечность.Однако в
релятивистской космологии возможен и вариант конечнойВселенной
— это соответствует пространству положительной кривизны.
Вселенная Эйнштейна представляет собой трёхмернуюсферу —
замкнутое в себе неевклидово трёхмерное пространство. Оно
является конечным, хотя и безграничным. Вселенная Эйнштейна
конечна в пространстве, но бесконечна во времени. Однако
стационарность вступала в противоречие с общей теорией
относительности, Вселенная оказалась неустойчивой истремилась
либо расшириться, либо сжаться. Чтобы устранить это
противоречие Эйнштейн ввёл в уравнения теории новый член
с помощью которого во Вселенную вводились новые силы,
пропорциональные расстоянию, их можно представитькак силы
притяжения и отталкивания.
Дальнейшее развитие космологии оказалось связаннымне со
статической моделью Вселенной. Впервые нестационарнаямодель
была развита А. А. Фридманом. Метрические свойствапространства
оказались изменяющимися во времени. Выяснилось, чтоВселенная
расширяется. Подтверждение этого было обнаружено в 1929году Э.
Хабблом, который наблюдал красное смещение спектра.Оказалось,
что скорость разбегания галактик возрастает с расстоянием и
подчиняется закону Хаббла V = H*L, где Н — постояннаяХаббла, L
— расстояние. Этот процесс продолжается и в настоящеевремя.
Всвязи с этим встают две важные проблемы: проблема
расширения пространства и проблема начала времени.Существует
гипотеза, что так называние «разбеганиегалактик» — наглядное
обозначение раскрытой космологией нестационарности
пространственной метрики. Таким образом, не галактики
разлетаются в неизменном пространстве, а расширяется само
пространство.
Вторая проблема связана с представлением о началевремени.
Истоки истории Вселенной относятся к моменту времени t=0,когда
произошёл так называемый Большой взрыв. В.Л. Гинзбург считает,
что "… Вселенная в прошлом находилась в особом состоянии,
которое отвечает началу времени, понятие времени доэтого
начала лишено физического, да и любого другогосмысла".
В релятивистской космологии была показанаотносительность
конечности и бесконечности времени в различных системах
отсчёта. Это положение особо чётко отразилось в представлениях
о «чёрных дырах». Речь идет об одном из наиболее интересных
явлений современной космологии - гравитационном коллапсе.
14
С.Хокинс и Дж. Эллис отмечают: «РасширениеВселенной во многих
отношениях подобно коллапсу звезды, если не считатьтого, что
направление времени при расширении обратное».
Как «начало» Вселенной, так и процессы в«чёрных дырах»
связаны со сверхплотным состоянием материи. Таким свойством
обладают космические тела после пересечения сферыШварцшильда
(условная сфера с радиусом r = 2GM/cэ, где G — гравитационная
постоянная, М — масса). Независимо от того, в какомсостоянии
космический объект пересёк соответствующую сферуШварцшильда,
далее он стремительно переходит в сверхплотное состояние в
процессе гравитационного коллапса. После этого от звезды
невозможно получить никакой информации, т.к. ничто неможет
вырваться из этой сферы в окружающее пространство - время:
звезда потухает для удалённого наблюдателя, и впространстве
образуется «чёрная дыра».
Между коллапсирующей звездой и наблюдателем вобычном мире
пролегает бесконечность, т. к. такая звезда находится
за бесконечностью во времени. Таким образом, оказалось, что
пространство — время в общей теории относительностисодержит
сингулярности, наличие которых заставляет пересмотреть
концепцию пространственно — временного континуума какнекоего
дифференцируемого «гладкого» многообразия.
Возникает проблема, связанная с представлением оконечной
стадии гравитационного коллапса, когда вся масса звезды
спрессовывается в точку ( r -> 0 ), когда бесконечнаплотность
материи, бесконечна кривизна пространства и т.д. Этовызывает
обоснованное сомнение. Дж. Уитлер считает, что взаключительной
стадии гравитацинного коллапса вообще не существует
пространства — времени. С. Хокинг пишет: «Сингулярность — это
место, где разрушается классическая концепция пространства и
времени так же, как и все известные законы физики, поскольку
все они формулируются на основе классического пространства -
времени. Этих представлений придерживаются большинство
современных космологов.
На заключительных стадиях гравитационного коллапсавблизи
сингулярности необходимо учитывать квантовые эффекты. Они
должны играть на этом уровне доминирующую роль и могутвообще
не допускать сингулярности. Предполагается, что в этойобласти
происходят субмикроскопические флуктуации материи,которые и
составляют основу глубокого микромира.
Всё это свидетельствует о том, что понять мегамир
невозможно без понимания микромира.
15
3. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА.
3.1. Пространственно-временные представления
квантовой механики.
Создание Эйнштейном специальной теорииотносительности не
исчерпывает возможноси взаимодействия механики и
электродинамики. В связи с объяснением тепловогоизлучения было
выявлено противоречие как в истолковании экспериментальных
данных, так и в теоретической согласованности этихвыводов. Это
повлекло за собой рождение квантовой механики. Она положила
начало неклассической физике, открыла дорогу к познанию
микрокосмоса, к овладению внутриатомной энергией, к пониманию
процессов в недрах звёзд и „начале“ Вселенной.
В конце XIX века физики начали исследовать, как
распределяется излучение по всему спектру частот. В тот период
физики задались также целью выяснить природу взаимосвязи
энергии излучения и температуры тела. М. Планк пыталсярешить
эту проблему с помощью методов классической электродинамики,но
это не привело к успеху. Попытка решить проблему с позиции
термодинамики столкнулась с рассогласованностью теории и
эксперимента. Планк получил формулу плотности излучения с
помощью интерполяции:
8 h
ДДДДДДv
c
р = ДДДДДДДДДДДДД, где
hv
exp(ДД) — 1
kT
v - частота излучения, Т - температура, k - постоянная
Больцмана.
Полученная Планком формула была очень содержательной,
кроме того, она включала ранее неизвестную постоянную h,
которую Планк назвал элементарным квантом действия.
Справедливость формулы Планка достигалась очень странным
для классической физики предположением: процессизлучения и
поглощения энергии является дискретным.
C работами Эйнштейна о фотонах в физику вошло
представление о карпускулярно - волновом дуализме. Реальная
природа света может быть представлена как диалектическое
единство волны и частиц.
16
Однако возник вопрос о сущности и структуреатома. Было
предложено множеств о противоречащих друг другу моделей.Выход
был найден Н. Бором путём синтеза планетарной моделиатома
Резерфорда и квантовой гипотезы. Он предположил, что атомможет
иметь ряд стационарных состояний при переходе в которые
поглащается или излучается квант энергии. В самом же
стационарном состоянии атом не излучает. Однако теорияБора не
объясняла интенсивности и поляризации излучения.Частично с
этим удалось справиться с помощь принципа соответствияБора.
Этот принцип сводится к тому, что при описании любой
микроскопической теории необходимо пользоваться терминологией,
применяемой в макромире.
Принцип соответствия сыграл важную роль висследованиях де
Бройля. Он выяснил, что не только световые волныобладают
дискретной структурой, но и элементарным частоцам материи
присущ волновой характер. На повестку дня встала проблема
создания волновой механики квантовых объектов, которая в 1929
году была решена Э. Шредингером, который вывел волновое
уравнение, носящее его имя.
Н. Бор вскрыл истинный смысл волнового уравнения
Шредингера. Он показал, что это уравнение описывает амплитуду
вероятности нахождения частицы в данной области пространства.
Чуть раньше (1925г.) Гейзенбергом была разработана
квантовая механика. Формальные правила этой теорииоснованы на
соотношении неопределённостей Гейзенберга: чем больше
неопределённость пространственной координаты, тем меньше
неопределённость значения импульса частицы. Аналогичное
соотношение имеет место для времени и энергии частицы.
Таким образом, в квантовой механике была найдена
принципиальная граница применимости классических физических
представлений к атомным явлениям и процессам.
В квантовой физике была поставлена важнаяпроблема о
необходимости пересмотра пространственных представлений
лапласовского детерминизма классической физики. Они оказались
лишь приближёнными понятиями и основывались на слишком сильных
идеализациях. Квантовая физика потребовала более адекватных
форм упорядоченности событий, в которых учитывалось бы
существование принципиальной неопределённости в состоянии
объекта, наличие черт целостности и индивидуальности в
микромире, что и выражалось в понятии универсальногокванта
действия h.
Квантовая механика была положена в основу бурно
17
развивающейся физики элементарных частиц, количествокоторых
достигает нескольких сотен, но до настоящего времени ещё не
создана корректная обобщающая теория. В физике элементарных
частиц представления о пространстве и времени столкнулисьс ещё
большими трудностями. Оказалось, что микромир является
многоуровневой системой, на каждом уровне которойгосподствуют
специфические виды взаимодействий и специфические свойства
пространственно - временных отношений. Область доступных в
эксперименте микроскопических интервалов условно делится на
четыре уровня: 1) уровень молекулярно - атомных явлений, 2)
уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов,
3) уровень элементарных частиц, 4) уровень ультрамалых
масштабов, где пространственно - временные отношения
оказываюстя несколько иными, чем в классической физике
макромира. В этой области по-иному следует понимать природу
пустоты — вакуум.
В квантовой электродинамике вакуум является сложной
системой виртуально рождающихся и поглащающихся фотонов,
электронно — позитронных пар и других частиц. На этомуровне
вакуум рассматривают как особый вид материи — как поле в
состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая
электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и
время нельзя оторвать от материи, что так называемая »пустота"
— это одно из состояний материи.
Квантовая механика была применена к вакууму, иоказалось,
что минимальное состояние энергии не характеризуетсянулевой её
плотностью. Минимум её оказался равным уровню осциллятораhv/2.
«Допустив скромные 0.5hv для каждой отдельной волны,- пишет Я.
Зельдович, — мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что всеволны
вместе дают бесконечную плотность энергии». Этабесконечная
энергия пустого пространства таит в себе огромные возможности,
которые ещё предстоит освоить физике.
Продвигаясь вглубь материи, учёные перешагнулирубеж 10
см. и начали исследовать физические процессы в области
субатомных пространственно - временных отношений. На этом
уровне структурной организации материи определяющую рольиграют
сильные взаимодействия элементарных частиц. Здесь иные
пространственно — временные понятия. Так, специфике микромира
не соответствуют обыденные представления о соотношениичасти и
целого. Ещё более радикальных изменений пространственно —
временных представлений требует переход к исследованию
процессов, характерных для слабых взаимодействий.Поэтому на
18
повестку дня встаёт вопрос о нарушении пространственной и
временной чётности, т.е. правое и левое пространственные
направления оказываются неэквивалентными.
В этих условиях были предприняты различные попытки
принципиально нового истолкования пространства ивремени. Одно
направление связано с изменением представлений опрерывности и
непрерывности пространства и времени, а второе — сгипотезой о
возможной макроскопической природе пространсва и времени.
Рассмотрим более подробно эти направления.
3.2. Прерывность и непрерывность пространства и
времени в физике микромира.
Физика микромира развивается в сложном единстве и
взаимодействии прерывности и непрерывности. Это относится не
только к структуре материи, но и к структуре пространства и
времени.
После создания теории относительности и квантовоймеханики
учёные попытались объединить эти две фундаментальные теории.
Первым достижением на этом пути явилось релятивистскоеволновое
уравнение для электрона. Был получен неожиданный вывод о
существовании антипода электрона — частицы с противоположным
электрическим зарядом. В настоящее время известно, что каждой
частице в природе соответствует античастица, это обусловлено
фундаментальными положениями современной теории и связано с
кардинальными свойствами пространства и времени (чётность
пространства, отражение времени и т.д. ).
Исторически первой квантовой теорией поля былаквантовая
электродинамика, включающая в себя описание взамодействий
электронов, позитронов, мюонов и фотонов. Это покаединственная
ветвь теории элементарных частиц, которая достигла высокого
уровня развития и известной завершённости. Она является
локальной теорией, в ней функционируют заимствованныепонятия
классической физики, основанные на концепциипространственно —
временной непрерывности: точечность заряда, локальностьполя,
точечность взаимодействия и т. д. Наличие этих понятийвлечёт
за собой существенные трудности, связанные с бесконечными
значениями некоторых величин ( масса, собственная энергия
электрона, энергия нулевых колебаний поля и т.д. ).
Эти трудности учёные пытались преодалеть путёмвведения в
теорию понятий о дискретном пространстве и времени.Такой
подход намечает единственный выход из неопределённости
19
бесконечности, т.к. содержит фундаментальную длину - основу
атомистического пространства.
Позже была построена обобщённая квантоваяэлектродинамика,
которая также является локальной теорией, описывающейточечные
взаимодействия точечных частиц, что приводит к существенным
трудностям. Например, наличие электромагнитного иэлектронно —
позитронного вакуума обуславливает небходимость внутренней
сложности, структурности электрона. Электрон поляризуетвакуум,
и флуктуации последнего создают вокруг электронаатмосферу из
виртуальной электронно - позитронной пары. При этомвполне
вероятен процесс аннигиляции исходного электрона с позитроном
пары. Оставшийся электрон можно рассматривать какисходный, но
в другой точке пространства.
Подобная специфика объектов квантовой электродинамики
является веским аргументом в пользу концепции пространственно-
временной дискретности. В её основе лежит идея о том, чтомасса
и заряд электрона находятся в разных физических полях,отличны
от массы и заряда идеализированного ( изолированного отмира )
электрона. Разность между массами оказывается бесконечной.При
оперировании этими бесконечностями их можно выразитьчерез
физические константы — заряд и массу реальногоэлектрона. Это
достигается путём перенормировки теории.
Что касается теории сильных взаимодействий, то там
процедуру перенормировки использовать не удаётся. Всвязис этим
в физике микромира широкое развитие получилонаправление,
связанное с пересмотром концепции локальности. Отказ от
точечности взаимодействия микрообъектов может осуществляться
двумя методами. При первом исходят из положения. что понятие
локального взаимодействия лишено смысла. Второйоснован на
отрицании понятия точечной координаты пространства — времени,
что приводит к теории квантового пространства — времени.
Протяжённая элементарная частица обладает сложной
динамической структурой. Подобная сложная структура
микрообъектов ставит под сомнение их элементарность. Учёные
столкнулись не только со сменой объекта, к которомуприлагается
свойство элементарности, но и с пересмотром самойдиалектики
элементарного и сложного в микромире. Элементарныечастицы не
элементарны в классическом смысле: они похожи наклассические
сложные системы, но они не являются этими системами. В
элементарных частицах сочетаются противоположные свойства
элементарного и сложного.
Отказ от представлений о точечности взаимодействиявлечёт
20
за собой изменение наших представлений о структурепространства
— времени и причинности, которые тесно взаимосвязаны. Помнению
некоторых физиков, в микромире теряют смысл обычныевременные
отношения «раньше» и «позже». В области нелокального
взаимодействия события связаны в некий«комок», в котором они
взаимно обуславливают друг друга, но не следуют одно задругим.
Таково принципиальное положение дел, сложившееся в
развитии квантовой теории поля, начиная с работ Гейзенберга и
кончая современными нелокальными и нелинейными теориями, где
нарушение причинности в микромире провозглашается в качестве
принципа и отмечается, что разграничение пространства — времени
на области «малые», где причинность нарушена,и большие, где
она выполнена, невозможно без появления в нелокальной теории
новой константы размерности длины — элементарной длины.С этим
«атомом» пространства связан и элементарныймомент времени (
хронон ), и именно в соответствующей импространственно —
временной области протекает сам процесс взаимодействиячастиц.
Теория дискретного пространства - времени продолжает
развиваться. Открытым остаётся вопрос о внутренней структуре
«атомов» пространства и времени. Существуетли пространство и
время в «атомах» пространства и времени? Этоодна из версий
гипотезы о возможной макроскопичности пространства ивремени,
которая будет рассмотрена ниже.
3.3. Проблема макроскопичности пространства
и времени в микромире.
В современной физике микромира возникла следующая
проблема: речь стала идти не об изменении свойств илиструктуры
пространства и времени, а об их макроскопическойприроде, т.е.
о том, что их вообще возможно нет в микромире. Такая постановка
вопроса связана с созданием квантовой механики. Что касается
сфер приложимости гипотезы, то её сторонникиразошлись во
мнениях: одни считают, что она имеет отношение лишь к
теоретическому описанию объективной реальности в квантовой
физике, другие расширили её уровня философского положения о
неуниверсальности пространства и времени как формсуществования
движущейся материи.
В ньютоновской механике теоретическое иэмпирическое
пространство и время во многом совпадали. С развитиемфизики
это совпадение нарушается.
В связи с этим возникает вопрос: должна ли эмпирическая
21
структура физической теории выступать обязательно вформе
пространства и времени классической физики? Гейзенберг
следующим образом описывает создавшуюся в физикемикромира
ситуацию: «Оказывается, в наших исследованияхатомных процессов
неизбежно существует своеобразное раздвоение. С одной стороны,
вопросы, с которыми мы обращаемся к природе посредством
экспериментов, всегда формулируются в понятиях классической
физики, в особенности в понятиях пространства и времени,
поскольку наш язык приспособлен к передаче только обыденного
нашего окружения и поскольку опыты мы не можем провести иначе,
как только во времени и в пространстве. С другой стороны,
математические выражения, пригодные для изображения
экспериментальных результатов, представляют собой волновые
функции в многомерных конфигурационных пространствах, не
допускающих какой-либо простой нагляднойинтерпретации».
Из этого положения можно сделать вывод, чтопространство и
время классической физики являются эмпирической структурой
квантовой механики.
Так в чём же суть рассматриваемой гипотезы?Эмпирическая
структура физической теории заведомо макроскопична.
Теоретическая структура при описании микромира выступает как
пространство и время. Пространство и время можно использовать
при развитии физических теорий, описывающих другие уровни
строения материи, но это сопряжено с неоправданным усложнением
теории, и поэтому от них отказываются. Речь идёт о
макроскопичности пространства и времени, которыевыступают в
качестве теоретических структур физических теорий.
В заключении рассмотрим гипотезу о макроскопической
природе пространства и времени с точки зрениядиалектико —
материалистического учения об их универсальности. Речьедёт о
пространстве и времени как категориях современнойфизики,
которые являются специфическими метрическими структурами
сосуществования данных явлений и смены конкретныхсостояниий,
что предполагает возможность различия двух соседних точек и
двух последующих моментов. Свойства«соседства» и «следования»
являются конкретными и специфическими свойствами структуры,
которые могут существовать далеко не везде. С этой точкизрения
можно даже говорить о «внепространственных» и «вневременных»
формах существования материи. Однако, можно задать и другой
вопрос: если пространство и время оказываютсянеуниверсальными,
то какой смысл нужно вкладывать в них сейчас,чтобы они
попрежнему оставались универсальными?
22
С этим вопросом связано возникновение и развитиеразличных
модификаций гипотезы о макроскопической природепространства и
времени. Если этой гипотезе пытаются придать философский
статус, то это необоснованно, т.к. она носит сугубофизический
характер и не вступает в противоречие с тезисомдиалектическо —
материалистической философии о всеобщности пространства и
времени. Но в рамках физической проблематики этагипотеза не
означает, что макромир обладает только соответствующей
пространственной природой, т.е. следует учитывать, чтомакромир
не исчерпывается классическими объектами в классических
пространстве и времени, что неклассический макромир может
потребовать неклассической пространственно - временной
организации.
_______
23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
На этом мы завершим анализ статуса пространства ивремени
в физическом познании. Связанные с этим проблемы
разрабатываются многими философами иестествоиспытателями. Уже
получены интерересные результаты и ведутся плодотворныепоиски.
В последнее время наука пришла к представлению о
диалектической взаимосвязи элементов различных уровней
целостного мира, в котором элементарная частица можетоказаться
полузамкнутой Вселенной, а в специфике человекаможет быть
запечетлена структура Вселенной.
_______
24
ЛИТЕРАТУРА.
1. Аскин Я.Ф. Проблема времени. Её физическоеистолкование, М.:
Мысль,-1986.
2. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании,
М.: Мысль,-1982.-253 с.
3. Ахундов М. Д. Проблемы прерывности и непрерывности
пространства и времени, М.: Наука,-1974.-256 с.
4. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени:истоки,
эволюция, перспективы, М.: Наука,-1982.-222 с.
5. Осипов А.И. Пространство и время как категориимировоззрения
и регуляторы практической деятельности, Минск: Наука и
техника,-1989.-220 с.
6. Потёмкин В.К., Симанов А.Л. Пространство в структуре мира,
Новосибирск: Наука,-1990.-176 с.
7. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах.Том I.
Работы по теории относительности 1905-1920,М.: Наука,-1965.-
700с.